Fysikeren som satser på at tyngdekraften ikke kan kvantiseres | Quanta Magazine

De fleste fysikere forventer at når vi zoomer inn på virkelighetens struktur, vedvarer kvantemekanikkens unintuitive rarthet ned til de aller minste skalaene. Men i disse settingene kolliderer kvantemekanikk med klassisk gravitasjon på en resolutt uforenlig måte.

Så i nesten et århundre har teoretikere prøvd å skape en enhetlig teori ved å kvantisere tyngdekraften, eller skulpturere den i henhold til kvantemekanikkens regler. De har fortsatt ikke lyktes.

Jonathan Oppenheim, som driver et program som utforsker postkvantealternativer ved University College London, mistenker at det er fordi tyngdekraften rett og slett ikke kan presses inn i en kvanteboks. Kanskje, hevder han, er vår antagelse om at den må kvantiseres feil. "Det synet er inngrodd," sa han. "Men ingen vet hva sannheten er."

Kvanteteorier er basert på sannsynligheter snarere enn sikkerheter. For eksempel, når du måler en kvantepartikkel, kan du ikke forutsi nøyaktig hvor du vil finne den, men du kan forutsi sannsynligheten for at den vil bli funnet på et bestemt sted. Dessuten, jo sikrere du er på plasseringen til en partikkel, jo mindre sikker er du på dens fremdrift. I løpet av 20-tallet fikk fysikere gradvis forståelse for elektromagnetisme og andre krefter ved å bruke dette rammeverket. 

Men da de prøvde å kvantisere tyngdekraften, løp de inn i unaturlige uendeligheter som måtte omgås med klønete matematiske triks.

 Problemene oppstår fordi tyngdekraften er et resultat av romtiden i seg selv, snarere enn noe som virker på toppen av den. Så hvis tyngdekraften er kvantisert, betyr det at rom-tid også er kvantisert. Men det fungerer ikke, fordi kvanteteori bare gir mening mot en klassisk rom-tid-bakgrunn - du kan ikke legge til og deretter utvikle kvantetilstander på toppen av et usikkert grunnlag. 

For å håndtere denne dype konseptuelle konflikten, vendte de fleste teoretikere seg til strengteori, som forestiller seg at materie og rom-tid dukker opp fra små, vibrerende strenger. En mindre fraksjon så ut til å sløyfe kvantetyngdekraften, som erstatter den jevne romtiden til Einsteins generelle relativitetsteori med et nettverk av sammenlåste løkker. I begge teoriene kommer vår kjente, klassiske verden på en eller annen måte ut av disse grunnleggende kvantebyggesteinene. 

Oppenheim var opprinnelig en strengteoretiker, og strengteoretikere tror på kvantemekanikkens forrang. Men han ble snart ukomfortabel med den forseggjorte matematiske akrobatikken hans jevnaldrende utførte for å takle et av de mest beryktede problemene i moderne fysikk: svart hull informasjon paradoks. 

I 2017 begynte Oppenheim å søke etter alternativer som unngikk informasjonsparadokset ved å ta både kvanteverdenen og den klassiske verdenen som grunnfjell. Han snublet over noen oversett forskning på kvante-klassisk hybridteorier fra 1990-tallet, som han har vært strekker og utforske helt siden. Ved å studere hvordan den klassiske og kvanteverdenen henger sammen, håper Oppenheim å finne en dypere teori som verken er kvante eller klassisk, men en slags hybrid. "Ofte legger vi alle eggene våre i noen få kurver, når det er mange muligheter," sa han. 

For å gjøre poenget sitt, Oppenheim nylig gjorde et veddemål med Geoff Penington og Carlo rovelli - ledere innen sine respektive felt innen strengteori og løkkekvantetyngdekraft. Oddsen? 5,000-til-1. Hvis Oppenheims anelse stemmer og rom-tid ikke er kvantifisert, står han til å vinne bøtter med potetgull, fargerik plast bazinga baller, eller shots av olivenolje, i henhold til hans fancy - så lenge hver vare koster maksimalt 20 pence (omtrent 25 cent).

Vi møttes på en kafé i Nord-London full av bøker, hvor han rolig pakket ut bekymringene om kvantegravitasjonsstatus quo og fremhevet den overraskende skjønnheten til disse hybridalternativene. "De reiser alle slags bemerkelsesverdig subtile spørsmål," sa han. "Jeg har virkelig mistet føttene mine når jeg prøver å forstå disse systemene." Men han holder ut. 

"Jeg vil ha mine 5,000 bazinga-baller."

Intervjuet er kondensert og redigert for klarhetens skyld.

Hvorfor er de fleste teoretikere så sikre på at rom-tid er kvantisert?

Det har blitt dogme. Alle de andre feltene i naturen er kvantifisert. Det er en følelse av at det ikke er noe spesielt med tyngdekraften - det er bare et felt som alle andre - og derfor bør vi kvantisere det.

Er tyngdekraften spesiell etter ditt syn?

Ja. Fysikere definerer alle de andre kreftene i form av felt som utvikler seg i rom-tid. Tyngdekraften alene forteller oss om geometrien og krumningen til selve romtiden. Ingen av de andre kreftene beskriver den universelle bakgrunnsgeometrien som vi lever i som tyngdekraften gjør.

For øyeblikket bruker vår beste teori om kvantemekanikk denne bakgrunnsstrukturen til rom-tid - som tyngdekraften definerer. Og hvis du virkelig tror at tyngdekraften er kvantisert, så mister vi den bakgrunnsstrukturen.

Hva slags problemer møter du hvis tyngdekraften er klassisk og ikke kvantisert?

I lang tid mente samfunnet at det var logisk umulig for gravitasjon å være klassisk fordi kobling av et kvantesystem med et klassisk system ville føre til inkonsekvenser. På 1950-tallet forestilte Richard Feynman seg en situasjon som belyste problemet: Han begynte med en massiv partikkel som er i en superposisjon av to forskjellige steder. Disse plasseringene kan være to hull i en metallplate, som i det berømte dobbeltspalteeksperimentet. Her oppfører partikkelen seg også som en bølge. Det skaper et interferensmønster av lyse og mørke striper på den andre siden av spaltene, som gjør det umulig å vite hvilken spalte den gikk gjennom. I populære beretninger blir partikkelen noen ganger beskrevet som å gå gjennom begge spaltene samtidig.

Men siden partikkelen har masse, skaper den et gravitasjonsfelt som vi kan måle. Og gravitasjonsfeltet forteller oss plasseringen. Hvis gravitasjonsfeltet er klassisk, kan vi måle det med uendelig presisjon, utlede partikkelens plassering og bestemme hvilken spalte den gikk gjennom. Så vi har da en paradoksal situasjon - interferensmønsteret forteller oss at vi ikke kan bestemme hvilken spalte partikkelen gikk gjennom, men det klassiske gravitasjonsfeltet lar oss gjøre nettopp det.

Men hvis gravitasjonsfeltet er kvante, er det ikke noe paradoks - usikkerhet kommer snikende når vi måler gravitasjonsfeltet, og derfor har vi fortsatt usikkerhet når det gjelder å bestemme partikkelens plassering.

Så hvis tyngdekraften oppfører seg klassisk, ender du opp med å vite for mye. Og det betyr at kjære ideer fra kvantemekanikk, som superposisjon, går i stykker?

Ja, gravitasjonsfeltet vet for mye. Men det er et smutthull i Feynmans argumentasjon som kan tillate klassisk gravitasjon å fungere.

Hva er det smutthullet?

Slik det står, vet vi bare hvilken vei partikkelen tok fordi den produserer et bestemt gravitasjonsfelt som bøyer rom-tid og lar oss bestemme partikkelens plassering. 

Men hvis den interaksjonen mellom partikkelen og rom-tid er tilfeldig - eller uforutsigbar - så dikterer ikke partikkelen i seg selv gravitasjonsfeltet fullstendig. Noe som betyr at måling av gravitasjonsfeltet ikke alltid vil avgjøre hvilken spalte partikkelen gikk gjennom fordi gravitasjonsfeltet kan være i en av mange tilstander. Tilfeldighetene kommer snikende, og du har ikke lenger et paradoks.

Så hvorfor tror ikke flere fysikere at tyngdekraften er klassisk?

Vel, det er logisk mulig å ha en teori der vi ikke kvantiserer alle feltene. Men for at en klassisk gravitasjonsteori skal være konsistent med alt annet som kvantiseres, må gravitasjonen være fundamentalt tilfeldig. For mange fysikere er det uakseptabelt.

Hvorfor?

Fysikere bruker mye tid på å finne ut hvordan naturen fungerer. Så ideen om at det er, på et veldig dypt nivå, noe iboende uforutsigbart er urovekkende for mange.

Resultatet av målinger innen kvanteteori ser ut til å være sannsynlige. Men mange fysikere foretrekker å tro at det som fremstår som tilfeldighet bare er kvantesystemet og måleapparatet som samhandler med omgivelsene. De ser det ikke som et grunnleggende trekk ved virkeligheten.

Hva foreslår du i stedet?

Min beste gjetning er at den neste teorien om gravitasjon vil være noe som verken er helt klassisk eller helt kvante, men noe helt annet.

Fysikere kommer bare noen gang med modeller som tilnærmer naturen. Men som et forsøk på en nærmere tilnærming, konstruerte elevene mine og jeg en fullstendig konsistent teori der kvantesystemer og klassisk rom-tid samhandler. Vi måtte bare modifisere kvanteteorien litt og modifisere klassisk generell relativitet litt for å tillate nedbrytningen av forutsigbarheten som kreves.

Hvorfor begynte du å jobbe med disse hybridteoriene?

Jeg ble motivert av informasjonsparadokset i det sorte hull. Når du kaster en kvantepartikkel inn i et sort hull og deretter lar det sorte hullet fordampe, møter du et paradoks hvis du tror at sorte hull bevarer informasjon. Standard kvanteteori krever at den gjenstanden du kaster inn i det sorte hullet, stråles ut igjen på en eller annen kryptert, men gjenkjennelig måte. Men det bryter med generell relativitetsteori, som forteller oss at du aldri kan vite om objekter som krysser det sorte hullets hendelseshorisont.

Men hvis fordampningsprosessen for det sorte hull er indeterministisk, er det ikke noe paradoks. Vi lærer aldri hva som ble kastet inn i det sorte hullet fordi forutsigbarheten bryter sammen. Generell relativitetsteori er trygt.

Så støyen i disse kvanteklassiske hybridteoriene gjør at informasjon går tapt?

Akkurat. 

Men informasjonsbevaring er et nøkkelprinsipp i kvantemekanikk. Å miste dette kan ikke være lett for mange teoretikere.

Det er sant. Det har vært store debatter om dette de siste tiårene, og nesten alle kom til å tro at fordampning av svarte hull er deterministisk. Jeg er alltid forundret over det.

Vil eksperimenter noen gang løse seg om tyngdekraften er kvantisert eller ikke?

På et tidspunkt. Vi vet fortsatt nesten ingenting om tyngdekraften på de minste skalaene. Den har ikke engang blitt testet til millimeterskalaen, enn si til skalaen til et proton. Men det er noen spennende eksperimenter som kommer på nettet som vil gjøre det.

En er en moderne versjon av «Cavendish-eksperimentet», som beregner styrken til gravitasjonsattraksjonen mellom to blykuler. Hvis det er tilfeldighet i gravitasjonsfeltet, som i disse kvante-klassiske hybridene, vil vi ikke alltid få det samme svaret når vi prøver å måle styrken. Gravitasjonsfeltet vil vikle rundt. Enhver teori der gravitasjon er grunnleggende klassisk har et visst nivå av gravitasjonsstøy.

Hvordan vet du at denne tilfeldigheten er iboende til gravitasjonsfeltet og ikke noe støy fra miljøet?

Det gjør du ikke. Tyngdekraften er en så svak kraft at selv de beste eksperimentene allerede har mye jiggle i seg. Så du må eliminere alle disse andre støykildene så mye som mulig. Det som er spennende er at elevene mine og jeg viste at hvis disse hybridteoriene er sanne, må det være en minimal mengde gravitasjonsstøy. Dette kan måles ved å studere gullatomer i et dobbeltspalteeksperiment. Disse eksperimentene setter allerede grenser for hvorvidt tyngdekraften er grunnleggende klassisk. Vi nærmer oss gradvis hvor mye ubestemthet som er tillatt.

På baksiden av innsatsen, er det noen eksperimenter som kan bevise at tyngdekraften er kvantisert?

Det finnes foreslåtte eksperimenter som ser etter sammenfiltring mediert av gravitasjonsfeltet. Siden sammenfiltring er et kvantefenomen, vil det være en direkte test av tyngdekraftens kvantenatur. Disse eksperimentene er veldig spennende, men sannsynligvis flere tiår unna.