Zwaartekracht en kwantummechanica verenigen zonder de noodzaak van kwantumzwaartekracht – Physics World

Zwaartekracht en kwantummechanica verenigen zonder de noodzaak van kwantumzwaartekracht – Physics World

Tijdstempel: 8 januari 2024 4:42 uur

Kwantum- en klassieke koppeling
Willekeurige koppeling: Jonathan Oppenheim heeft een nieuwe manier ontwikkeld om de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie te verenigen. (Met dank aan: Shutterstock/Rost9)

Jonathan Oppenheim aan het University College London heeft een nieuw theoretisch raamwerk ontwikkeld dat tot doel heeft de kwantummechanica en de klassieke zwaartekracht te verenigen – zonder de noodzaak van een theorie van de kwantumzwaartekracht. De benadering van Oppenheim maakt het mogelijk dat de zwaartekracht klassiek blijft, terwijl deze door een stochastisch (willekeurig) mechanisme aan de kwantumwereld wordt gekoppeld.

Decennia lang hebben theoretische natuurkundigen moeite gehad om Einsteins algemene relativiteitstheorie – die de zwaartekracht beschrijft – te verzoenen met de kwantumtheorie, die zo ongeveer al het andere in de natuurkunde beschrijft. Een fundamenteel probleem is dat de kwantumtheorie ervan uitgaat dat ruimte-tijd vaststaat, terwijl de algemene relativiteitstheorie zegt dat ruimte-tijd dynamisch verandert als reactie op de aanwezigheid van massieve objecten.

Tot nu toe werden de verzoeningsinspanningen gedomineerd door het idee dat ons huidige begrip van de zwaartekracht onvolledig is en dat een gekwantificeerde beschrijving van de interactie nodig is. Deze redenering heeft tot talloze onderzoekslijnen geleid, waaronder de ontwikkeling van de snaartheorie en de kwantumzwaartekracht. Experimenten om deze ideeën te testen zijn echter buitengewoon uitdagend, en een theorie over kwantumzwaartekracht blijft ongrijpbaar.

Gekoppelde realiteiten

Kwantumzwaartekracht is niet de enige weg naar eenwording, en het probleem kan worden aangepakt door te onderzoeken of de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie kunnen worden gekoppeld in een staat van co-existentie.

Deze benadering is echter buiten de boot gevallen, omdat deze een beroep lijkt te doen op verschillende ‘no-go-stellingen’ die de koppeling onmogelijk maken. Veel koppelingsschema’s zouden in strijd zijn met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg – een centraal principe van de kwantumtheorie.

Een belangrijke aanname die door eerdere koppelingsschema's wordt gedeeld, is dat de verbinding tussen de kwantum- en zwaartekrachtwerelden omkeerbaar is. Dit betekent dat als de toestand van het systeem op een bepaald moment wordt gemeten, deze samen met de bewegingsvergelijkingen kan worden gebruikt om de toestand op elk punt in het verleden of de toekomst te voorspellen.

Nu betoogt Oppenheim dat deze aanname misschien niet nodig is en zegt dat de koppeling stochastisch zou kunnen zijn. Dit betekent dat de vroegere en toekomstige toestanden van het systeem niet definitief kunnen worden voorspeld op basis van een enkele meting. In plaats daarvan kunnen het verleden en de toekomst alleen worden voorspeld met probabilistische vergelijkingen die een scala aan mogelijkheden bieden.

Stochastisch raamwerk

In zijn onderzoek bouwt Oppenheim voort op dit idee om een ​​nieuw stochastisch raamwerk te ontwikkelen voor het koppelen van de kwantum- en klassieke zwaartekrachtwerelden. Omdat deze werelden fundamenteel verschillende regels hebben, gebruikt de theorie van Oppenheim voor elk van hen afzonderlijke statistische theorieën.

Aan de kwantumkant gaat Oppenheim ervan uit dat de toestanden van het systeem voortdurend worden beïnvloed door willekeurige fluctuaties in de omgeving. Aan de klassieke kant verschijnen toestanden in plaats daarvan als waarschijnlijkheidsverdelingen binnen de faseruimte van het systeem.

Door deze twee beschrijvingen samen te voegen, beschrijft Oppenheim één enkele ‘klassieke kwantumtoestand’. Deze toestand voorspelt tegelijkertijd de waarschijnlijkheid van het systeem om in een bepaald gebied van de faseruimte te bestaan, en zijn kwantumtoestand in dat specifieke gebied.

Hierdoor kon Oppenheim een ​​vergelijking afleiden die de koppeling tussen de kwantummechanica en de klassieke zwaartekracht beschrijft, terwijl elk van hun unieke kenmerken behouden blijft. Dit stelde hem op zijn beurt in staat de diepere fysieke implicaties van zijn ideeën te onderzoeken. Deze omvatten de mogelijkheid van koppeling tussen de algemene relativiteitstheorie en de kwantumveldentheorie die ten grondslag ligt aan het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Het voorstel is beschreven in Fysieke beoordeling X. In een standpunt artikel bij het papier, Thomas Galley van het Oostenrijkse Instituut voor Quantum Optica en Quantum Informatie in Wenen zegt dat het idee van Oppenheim tegelijkertijd zowel radicaal als conservatief is – stevig gewortelde aannames verwerpt, terwijl het toch consistent blijft met al lang bestaande natuurkundige wetten. Hij waarschuwt echter dat “het inruilen van kwantumheid voor stochasticiteit zijn eigen conceptuele problemen heeft”. Hij wijst erop dat “Oppenheim constateert dat kwantuminformatie verloren kan gaan in een zwart gat, een resultaat dat veel natuurkundigen misschien onaanvaardbaar vinden”.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld