Forene gravitasjon og kvantemekanikk uten behov for kvantegravitasjon – Physics World

Forene gravitasjon og kvantemekanikk uten behov for kvantegravitasjon – Physics World

Tidsstempel: 8. januar 2024 4:42

Kvante og klassisk kobling
Tilfeldig kobling: Jonathan Oppenheim har utviklet en ny måte å forene kvantemekanikken og den generelle relativitetsteorien på. (Med tillatelse: Shutterstock/Rost9)

Jonathan Oppenheim ved University College London har utviklet et nytt teoretisk rammeverk som tar sikte på å forene kvantemekanikk og klassisk gravitasjon – uten behov for en teori om kvantegravitasjon. Oppenheims tilnærming lar tyngdekraften forbli klassisk, mens den kobles til kvanteverdenen ved hjelp av en stokastisk (tilfeldig) mekanisme.

I flere tiår har teoretiske fysikere kjempet for å forene Einsteins generelle relativitetsteori – som beskriver gravitasjon – med kvanteteori, som beskriver omtrent alt annet innen fysikk. Et grunnleggende problem er at kvanteteorien antar at rom-tid er fast, mens generell relativitet sier at rom-tid endres dynamisk som svar på tilstedeværelsen av massive objekter.

Så langt har forsoningsarbeidet vært dominert av ideen om at vår nåværende forståelse av tyngdekraften er ufullstendig, og at det kreves en kvantisert beskrivelse av interaksjonen. Dette resonnementet har ført til en rekke undersøkelser - inkludert utviklingen av strengteori og løkkekvantetyngdekraft. Imidlertid er eksperimenter for å teste disse ideene ekstremt utfordrende, og en teori om kvantetyngdekraft er fortsatt unnvikende.

Sammenkoblede realiteter

Kvantetyngdekraften er ikke den eneste veien til forening, og problemet kan løses ved å undersøke om kvantemekanikk og generell relativitet kan kobles sammen i en tilstand av sameksistens.

Imidlertid har denne tilnærmingen falt ved siden av fordi den ser ut til å påberope seg forskjellige "no-go-teoremer" som gjør koblingen umulig. Faktisk ville mange koblingsordninger bryte med Heisenbergs usikkerhetsprinsipp - som er en sentral grunnsetning i kvanteteorien.

En nøkkelantakelse som deles av tidligere koblingsskjemaer er at forbindelsen mellom kvante- og gravitasjonsverdenen er reversibel. Dette betyr at hvis tilstanden til systemet måles på et gitt tidspunkt, kan det brukes sammen med bevegelsesligningene for å forutsi tilstanden når som helst i fortiden eller fremtiden.

Nå argumenterer Oppenheim for at denne antakelsen kanskje ikke er nødvendig og sier at koblingen kan være stokastisk. Dette betyr at systemets tidligere og fremtidige tilstander ikke kan forutsies definitivt basert på en enkelt måling. I stedet kan fortiden og fremtiden bare forutsies med sannsynlige ligninger som presenterer en rekke muligheter.

Stokastisk rammeverk

I sin studie bygger Oppenheim på denne ideen for å utvikle et nytt stokastisk rammeverk for å koble sammen kvanteverdenen og den klassiske gravitasjonsverdenen. Siden disse verdenene har fundamentalt forskjellige regler, bruker Oppenheims teori separate statistiske teorier for hver av dem.

På kvantesiden antar Oppenheim at systemets tilstander hele tiden påvirkes av tilfeldige fluktuasjoner i omgivelsene. På den klassiske siden vises tilstander i stedet som sannsynlighetsfordelinger innenfor systemets faserom.

Ved å trekke disse to beskrivelsene sammen, beskriver Oppenheim en enkelt "klassisk kvantetilstand". Denne tilstanden forutsier samtidig systemets sannsynlighet for å eksistere i et område av faserommet, og dets kvantetilstand i det bestemte området.

Dette tillot Oppenheim å utlede en ligning som beskriver koblingen mellom kvantemekanikk og klassisk gravitasjon, samtidig som hver av deres unike egenskaper ble bevart. Dette tillot ham igjen å utforske de dypere fysiske implikasjonene av ideene hans. Disse inkluderer muligheten for kobling mellom generell relativitet, og kvantefeltteorien som ligger til grunn for standardmodellen for partikkelfysikk.

Forslaget er beskrevet i Fysisk gjennomgang X. I en synspunktartikkel som følger med papiret, Thomas Galley ved Østerrikes institutt for kvanteoptikk og kvanteinformasjon i Wien sier at Oppenheims idé er både radikal og konservativ på samme tid - og avviser solid forankrede antakelser, mens den fortsatt er i samsvar med lenge etablerte fysiske lover. Imidlertid advarer han om at "handel med kvante for stokastisitet har sine egne konseptuelle vanskeligheter". Han påpeker at "Oppenheim finner ut at kvanteinformasjon kan gå tapt i et svart hull, et resultat som mange fysikere kan finne uakseptabelt".

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden