Fizyk, który zakłada się, że grawitacji nie da się skwantować | Magazyn Quanta

Większość fizyków spodziewa się, że kiedy przybliżymy strukturę rzeczywistości, nieintuicyjna dziwaczność mechaniki kwantowej utrzyma się w najmniejszych skalach. Ale w tych ustawieniach mechanika kwantowa zderza się z klasyczną grawitacją w zdecydowanie niekompatybilny sposób.

Tak więc przez prawie sto lat teoretycy próbowali stworzyć zunifikowaną teorię, kwantyzując grawitację lub rzeźbiąc ją zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. Nadal im się to nie udało.

Jonathana Oppenheima, który prowadzi program badający alternatywy postkwantowe na University College London, podejrzewa, że ​​dzieje się tak dlatego, że grawitacji po prostu nie da się wcisnąć do pudełka kwantowego. Być może, argumentuje, nasze założenie, że musi być skwantowane, jest błędne. „Ten pogląd jest zakorzeniony” – powiedział. „Ale nikt nie wie, jaka jest prawda”.

Teorie kwantowe opierają się raczej na prawdopodobieństwie niż pewności. Na przykład, kiedy mierzysz cząstkę kwantową, nie możesz dokładnie przewidzieć, gdzie ją znajdziesz, ale możesz przewidzieć prawdopodobieństwo, że zostanie znaleziona w określonym miejscu. Co więcej, im większa pewność co do położenia cząstki, tym mniejsza pewność co do jej pędu. W XX wieku fizycy stopniowo rozumieli elektromagnetyzm i inne siły, używając tych ram. 

Ale kiedy próbowali skwantyfikować grawitację, wpadli na nienaturalne nieskończoności, które trzeba było ominąć za pomocą niezdarnych sztuczek matematycznych.

 Problemy pojawiają się, ponieważ grawitacja jest wynikiem samej czasoprzestrzeni, a nie czegoś, co działa na nią. Więc jeśli grawitacja jest skwantowana, oznacza to, że czasoprzestrzeń jest również skwantowana. Ale to nie działa, ponieważ teoria kwantowa ma sens tylko na tle klasycznej czasoprzestrzeni — nie można dodawać, a następnie ewoluować stanów kwantowych na niepewnym fundamencie. 

Aby poradzić sobie z tym głębokim konfliktem pojęciowym, większość teoretyków zwróciła się ku teorii strun, która wyobraża sobie, że materia i czasoprzestrzeń wyłaniają się z maleńkich, wibrujących strun. Mniejsza frakcja starała się zapętlić grawitację kwantową, która zastępuje gładką czasoprzestrzeń ogólnej teorii względności Einsteina siecią powiązanych ze sobą pętli. W obu teoriach nasz znajomy, klasyczny świat w jakiś sposób wyłania się z tych zasadniczo kwantowych elementów konstrukcyjnych. 

Oppenheim był pierwotnie teoretykiem strun, a teoretycy strun wierzą w prymat mechaniki kwantowej. Wkrótce jednak poczuł się niekomfortowo z powodu skomplikowanych akrobacji matematycznych, które wykonywali jego koledzy, aby rozwiązać jeden z najbardziej znanych problemów współczesnej fizyki: paradoks informacyjny czarnej dziury. 

W 2017 roku Oppenheim zaczął szukać alternatyw, które pozwoliłyby uniknąć paradoksu informacyjnego, opierając się zarówno na świecie kwantowym, jak i klasycznym. Natknął się na kilka przeoczonych Badania naukowe na kwantowo-klasycznej teorie hybrydowe od lat 1990., którym był rozsuwalny i zwiedzania odkąd. Badając wzajemne powiązania światów klasycznego i kwantowego, Oppenheim ma nadzieję znaleźć głębszą teorię, która nie jest ani kwantowa, ani klasyczna, ale pewnego rodzaju hybrydą. „Często wkładamy wszystkie jajka do kilku koszyków, kiedy jest wiele możliwości” – powiedział. 

Aby podkreślić swój punkt widzenia, Oppenheim niedawno postawiłem zakład w Geoffa Peningtona i Carlo rovelli — liderzy w swoich dziedzinach teorii strun i pętlowej grawitacji kwantowej. Szanse? 5,000 do 1. Jeśli przeczucie Oppenheima jest słuszne, a czasoprzestrzeń nie jest skwantowana, ma szansę wygrać mnóstwo chipsów ziemniaczanych, kolorowego plastiku kulki bazingowelub kieliszki oliwy z oliwek, według jego upodobań — o ile każdy przedmiot kosztuje najwyżej 20 pensów (około 25 centów).

Spotkaliśmy się w kawiarni w północnym Londynie, pełnej książek, gdzie spokojnie rozwiał swoje obawy dotyczące status quo kwantowej grawitacji i wychwalał zaskakujące piękno tych hybrydowych alternatyw. „Podnoszą wszelkiego rodzaju niezwykle subtelne pytania” – powiedział. „Naprawdę straciłem głowę, próbując zrozumieć te systemy”. Ale on wytrwa. 

„Chcę moje 5,000 kulek bazinga”.

Wywiad został skondensowany i zredagowany dla jasności.

Dlaczego większość teoretyków jest tak pewna, że ​​czasoprzestrzeń jest skwantowana?

To stało się dogmatem. Wszystkie inne pola w przyrodzie są skwantowane. Istnieje poczucie, że nie ma nic szczególnego w grawitacji – to po prostu pole jak każde inne – i dlatego powinniśmy ją skwantować.

Czy według ciebie grawitacja jest wyjątkowa?

Tak. Fizycy definiują wszystkie inne siły w kategoriach pól ewoluujących w czasoprzestrzeni. Sama grawitacja mówi nam o geometrii i krzywiźnie samej czasoprzestrzeni. Żadna inna siła nie opisuje uniwersalnej geometrii tła, w której żyjemy, tak jak grawitacja.

W tej chwili nasza najlepsza teoria mechaniki kwantowej wykorzystuje tę podstawową strukturę czasoprzestrzeni — którą definiuje grawitacja. A jeśli naprawdę wierzysz, że grawitacja jest skwantowana, tracimy tę strukturę tła.

Jakiego rodzaju problemy napotykasz, jeśli grawitacja jest klasyczna, a nie skwantowana?

Przez długi czas społeczność uważała, że ​​klasyczna grawitacja jest logicznie niemożliwa, ponieważ połączenie systemu kwantowego z systemem klasycznym prowadziłoby do niespójności. W latach pięćdziesiątych Richard Feynman wyobraził sobie sytuację, która rzuciła światło na problem: zaczął od masywnej cząstki, która znajduje się w superpozycji dwóch różnych miejsc. Miejscami tymi mogą być dwa otwory w blasze, jak w słynnym eksperymencie z podwójną szczeliną. Tutaj cząsteczka również zachowuje się jak fala. Tworzy interferencyjny wzór jasnych i ciemnych pasów po drugiej stronie szczelin, co uniemożliwia rozpoznanie, przez którą szczelinę przeszedł. W popularnych opisach cząstka jest czasami opisywana jako przechodząca przez obie szczeliny jednocześnie.

Ale ponieważ cząstka ma masę, tworzy pole grawitacyjne, które możemy zmierzyć. A to pole grawitacyjne mówi nam o jego położeniu. Jeśli pole grawitacyjne jest klasyczne, możemy zmierzyć je z nieskończoną precyzją, wywnioskować położenie cząstki i określić, przez którą szczelinę przeszła. Mamy więc do czynienia z paradoksalną sytuacją — wzór interferencji mówi nam, że nie możemy określić, przez którą szczelinę przeszła cząstka, ale klasyczne pole grawitacyjne nam na to pozwala.

Ale jeśli pole grawitacyjne jest kwantowe, nie ma paradoksu — podczas pomiaru pola grawitacyjnego wkrada się niepewność, więc nadal mamy niepewność w określaniu położenia cząstki.

Więc jeśli grawitacja zachowuje się klasycznie, w końcu wiesz za dużo. A to oznacza, że ​​cenione idee mechaniki kwantowej, takie jak superpozycja, załamują się?

Tak, pole grawitacyjne wie za dużo. Ale w argumencie Feynmana jest luka, która może pozwolić na działanie klasycznej grawitacji.

Co to za luka?

W tej chwili wiemy tylko, którą ścieżkę obrała cząstka, ponieważ wytwarza ona określone pole grawitacyjne, które zakrzywia czasoprzestrzeń i pozwala nam określić położenie cząstki. 

Ale jeśli ta interakcja między cząstką a czasoprzestrzenią jest przypadkowa – lub nieprzewidywalna – to sama cząstka nie dyktuje całkowicie pola grawitacyjnego. Co oznacza, że ​​pomiar pola grawitacyjnego nie zawsze pozwoli ustalić, przez którą szczelinę przeszła cząstka, ponieważ pole grawitacyjne może znajdować się w jednym z wielu stanów. Wkrada się przypadkowość i nie masz już paradoksu.

Dlaczego więc więcej fizyków nie uważa grawitacji za klasyczną?

Cóż, logicznie możliwe jest posiadanie teorii, w której nie skwantyzujemy wszystkich pól. Ale aby klasyczna teoria grawitacji była zgodna z kwantowaniem wszystkiego innego, grawitacja musi być zasadniczo losowa. Dla wielu fizyków jest to nie do przyjęcia.

Dlaczego?

Fizycy spędzają dużo czasu próbując zrozumieć, jak działa przyroda. Tak więc pomysł, że na bardzo głębokim poziomie istnieje coś z natury nieprzewidywalnego, jest dla wielu niepokojący.

Wynik pomiarów w ramach teorii kwantowej wydaje się być probabilistyczny. Ale wielu fizyków woli myśleć, że to, co wydaje się przypadkowością, to tylko układ kwantowy i aparat pomiarowy oddziałujący ze środowiskiem. Nie postrzegają tego jako jakiejś fundamentalnej cechy rzeczywistości.

Co proponujesz w zamian?

Domyślam się, że następna teoria grawitacji nie będzie ani całkowicie klasyczna, ani całkowicie kwantowa, ale czymś zupełnie innym.

Fizycy zawsze wymyślają tylko modele, które przybliżają naturę. Ale jako próba bliższego przybliżenia, moi studenci i ja stworzyliśmy w pełni spójną teorię, w której układy kwantowe i klasyczna czasoprzestrzeń oddziałują na siebie. Musieliśmy tylko nieznacznie zmodyfikować teorię kwantową i nieco zmodyfikować klasyczną ogólną teorię względności, aby umożliwić załamanie wymaganej przewidywalności.

Dlaczego zacząłeś pracować nad tymi hybrydowymi teoriami?

Motywował mnie paradoks informacyjny czarnej dziury. Kiedy wrzucisz cząstkę kwantową do czarnej dziury, a następnie pozwolisz jej wyparować, napotkasz paradoks, jeśli wierzysz, że czarne dziury zachowują informacje. Standardowa teoria kwantowa wymaga, aby jakikolwiek obiekt wrzucony do czarnej dziury był wypromieniowywany z powrotem w jakiś zaszyfrowany, ale rozpoznawalny sposób. Ale to narusza ogólną teorię względności, która mówi nam, że nigdy nie możesz wiedzieć o obiektach, które przekraczają horyzont zdarzeń czarnej dziury.

Ale jeśli proces parowania czarnej dziury jest nieokreślony, to nie ma paradoksu. Nigdy nie dowiadujemy się, co zostało wrzucone do czarnej dziury, ponieważ załamuje się przewidywalność. Ogólna teoria względności jest bezpieczna.

A więc hałaśliwość tych kwantowo-klasycznych teorii hybrydowych pozwala na utratę informacji?

Dokładnie. 

Jednak zachowanie informacji jest kluczową zasadą mechaniki kwantowej. Utrata tego nie może być łatwa dla wielu teoretyków.

To prawda. W ostatnich dziesięcioleciach toczyły się na ten temat wielkie debaty i prawie wszyscy doszli do przekonania, że ​​parowanie czarnych dziur jest deterministyczne. Zawsze mnie to zastanawia.

Czy eksperymenty kiedykolwiek się rozwiążą, jeśli grawitacja zostanie skwantowana, czy nie?

W pewnym momencie. Nadal prawie nic nie wiemy o grawitacji w najmniejszych skalach. Nie został nawet przetestowany w skali milimetrowej, nie mówiąc już o skali protonu. Ale w Internecie pojawia się kilka ekscytujących eksperymentów, które to zrobią.

Jeden jest współczesna wersja „Eksperymentu Cavendisha”, który oblicza siłę przyciągania grawitacyjnego między dwiema ołowianymi kulami. Jeśli w polu grawitacyjnym istnieje losowość, jak w tych kwantowo-klasycznych hybrydach, to kiedy spróbujemy zmierzyć jej siłę, nie zawsze otrzymamy tę samą odpowiedź. Pole grawitacyjne będzie się kołysać. Każda teoria, w której grawitacja jest zasadniczo klasyczna, ma pewien poziom szumu grawitacyjnego.

Skąd wiesz, że ta losowość jest nieodłączną częścią pola grawitacyjnego, a nie jakimś hałasem z otoczenia?

ty nie. Grawitacja jest tak słabą siłą, że nawet najlepsze eksperymenty mają już w sobie sporo zamieszania. Więc musisz wyeliminować wszystkie te inne źródła hałasu tak bardzo, jak to możliwe. Ekscytujące jest to, że moi studenci i ja pokazaliśmy, że jeśli te hybrydowe teorie są prawdziwe, musi istnieć minimalna ilość szumu grawitacyjnego. Można to zmierzyć, badając atomy złota w eksperymencie z podwójną szczeliną. Eksperymenty te już wyznaczają granice tego, czy grawitacja jest zasadniczo klasyczna. Stopniowo zbliżamy się do dozwolonej ilości nieokreśloności.

Z drugiej strony, czy są jakieś eksperymenty, które udowodniłyby, że grawitacja jest skwantowana?

Tam są proponowane eksperymenty które szukają splątania za pośrednictwem pola grawitacyjnego. Ponieważ splątanie jest zjawiskiem kwantowym, byłby to bezpośredni test kwantowej natury grawitacji. Te eksperymenty są bardzo ekscytujące, ale prawdopodobnie odległe o dziesięciolecia.