Fizicianul care pariază că gravitația nu poate fi cuantificată | Revista Quanta

Majoritatea fizicienilor se așteaptă ca atunci când ne apropiem de materialul realității, ciudățenia neintuitivă a mecanicii cuantice persistă până la cele mai mici scări. Dar, în acele situații, mecanica cuantică se ciocnește de gravitația clasică într-un mod hotărât incompatibil.

Deci timp de aproape un secol, teoreticienii au încercat să creeze o teorie unificată prin cuantificarea gravitației sau sculptând-o conform regulilor mecanicii cuantice. Încă nu au reușit.

Jonathan Oppenheim, care conduce un program de explorare a alternativelor post-cuantice la University College London, bănuiește că gravitația pur și simplu nu poate fi strânsă într-o cutie cuantică. Poate, susține el, prezumția noastră că trebuie cuantificată este greșită. „Acea viziune este înrădăcinată”, a spus el. „Dar nimeni nu știe care este adevărul.”

Teoriile cuantice se bazează mai degrabă pe probabilități decât pe certitudini. De exemplu, atunci când măsurați o particulă cuantică, nu puteți prezice exact unde o veți găsi, dar puteți prezice probabilitatea ca aceasta să fie găsită într-un anumit loc. În plus, cu cât ești mai sigur de locația unei particule, cu atât ești mai puțin sigur de impulsul acesteia. De-a lungul secolului al XX-lea, fizicienii au înțeles treptat electromagnetismul și alte forțe folosind acest cadru. 

Dar când au încercat să cuantifice gravitația, s-au lovit de infinite nefirești care au trebuit ocolite cu trucuri matematice stângace.

 Problemele apar deoarece gravitația este un rezultat al spațiu-timpului în sine, mai degrabă decât ceva care acționează deasupra acesteia. Deci, dacă gravitația este cuantificată, înseamnă că spațiu-timp este și cuantizat. Dar asta nu funcționează, deoarece teoria cuantică are sens doar pe un fundal spațiu-timp clasic - nu poți adăuga și apoi evolua stări cuantice pe o fundație incertă. 

Pentru a face față acestui conflict conceptual profund, majoritatea teoreticienilor s-au orientat către teoria corzilor, care își imaginează că materia și spațiu-timp ies din corzi minuscule, care vibrează. O facțiune mai mică a căutat să bucleze gravitația cuantică, care înlocuiește spațiu-timp neted al relativității generale a lui Einstein cu o rețea de bucle interconectate. În ambele teorii, lumea noastră familiară, clasică, reiese cumva din aceste blocuri fundamentale cuantice. 

Oppenheim a fost inițial un teoretician al corzilor, iar teoreticienii corzilor cred în primatul mecanicii cuantice. Dar curând a devenit inconfortabil cu acrobațiile matematice elaborate pe care le-au efectuat colegii săi pentru a aborda una dintre cele mai notorii probleme din fizica modernă: paradoxul informațiilor despre gaura neagră. 

În 2017, Oppenheim a început să caute alternative care să evite paradoxul informației, luând ca temelii atât lumea cuantică, cât și cea clasică. A dat peste unele trecute cu vederea cercetare pe cuantic-clasic teorii hibride din anii 1990, care a fost extindere și explorarea de atunci. Studiind modul în care lumea clasică și cea cuantică se interacționează, Oppenheim speră să găsească o teorie mai profundă care să nu fie nici cuantică, nici clasică, ci un fel de hibrid. „Adesea ne punem toate ouăle în câteva coșuri, când există o mulțime de posibilități”, a spus el. 

Pentru a-și exprima punctul de vedere, Oppenheim recent a făcut un pariu cu Geoff Penington și Carlo Robelli — lideri în domeniile lor respective ale teoriei corzilor și gravitației cuantice în buclă. Cotele? 5,000-la-1. Dacă bănuiala lui Oppenheim este corectă și spațiu-timp nu este cuantificat, el va câștiga o mulțime de chipsuri de cartofi, plastic colorat bile bazinga, sau shot-uri de ulei de măsline, după fantezia lui - atâta timp cât fiecare articol costă cel mult 20 de pence (aproximativ 25 de cenți).

Ne-am întâlnit într-o cafenea din nordul Londrei plină de cărți, unde și-a dezvăluit cu calm preocupările cu privire la status quo-ul gravitației cuantice și a lăudat frumusețea surprinzătoare a acestor alternative hibride. „Ei ridică tot felul de întrebări remarcabil de subtile”, a spus el. „Chiar mi-am pierdut picioarele încercând să înțeleg aceste sisteme.” Dar el perseverează. 

„Vreau cele 5,000 de bile mele bazinga.”

Interviul a fost condensat și editat pentru claritate.

De ce sunt majoritatea teoreticienilor atât de siguri că spațiu-timp este cuantificat?

A devenit dogmă. Toate celelalte câmpuri din natură sunt cuantificate. Există un sentiment că nu există nimic special la gravitație - este doar un câmp ca oricare altul - și, prin urmare, ar trebui să-l cuantificăm.

Este gravitatea specială din punctul tău de vedere?

Da. Fizicienii definesc toate celelalte forțe în termeni de câmpuri care evoluează în spațiu-timp. Numai gravitația ne spune despre geometria și curbura spațiului-timp în sine. Niciuna dintre celelalte forțe nu descrie geometria universală a fundalului în care trăim, așa cum o face gravitația.

În prezent, cea mai bună teorie a mecanicii cuantice a noastră folosește această structură de fundal a spațiului-timp - pe care gravitația o definește. Și dacă crezi cu adevărat că gravitația este cuantificată, atunci pierdem acea structură de fundal.

Cu ce ​​fel de probleme te confrunți dacă gravitația este clasică și nu cuantizată?

Multă vreme, comunitatea a crezut că era logic imposibil ca gravitația să fie clasică, deoarece cuplarea unui sistem cuantic cu un sistem clasic ar duce la inconsecvențe. În anii 1950, Richard Feynman și-a imaginat o situație care a luminat problema: a început cu o particulă masivă care se află într-o suprapunere a două locații diferite. Aceste locații ar putea fi două găuri într-o foaie de metal, ca în celebrul experiment cu dublă fante. Aici, particula se comportă și ca o undă. Creează un model de interferență de dungi deschise și întunecate pe cealaltă parte a fantelor, ceea ce face imposibil să știi prin ce fantă a trecut. În relatările populare, particulele sunt uneori descrise ca trecând prin ambele fante simultan.

Dar, deoarece particula are masă, creează un câmp gravitațional pe care îl putem măsura. Și acel câmp gravitațional ne spune locația lui. Dacă câmpul gravitațional este clasic, îl putem măsura cu o precizie infinită, deducem locația particulei și putem determina prin ce fantă a trecut. Deci avem o situație paradoxală - modelul de interferență ne spune că nu putem determina prin ce fantă a trecut particula, dar câmpul gravitațional clasic ne permite să facem exact asta.

Dar dacă câmpul gravitațional este cuantic, nu există paradox - incertitudinea apare atunci când se măsoară câmpul gravitațional și, prin urmare, avem încă incertitudine în determinarea locației particulei.

Deci, dacă gravitația se comportă clasic, ajungi să știi prea multe. Și asta înseamnă că ideile prețuite din mecanica cuantică, cum ar fi suprapunerea, se descompun?

Da, câmpul gravitațional știe prea multe. Dar există o lacună în argumentul lui Feynman care ar putea permite gravitației clasice să funcționeze.

Care este acea lacună?

În starea actuală, știm doar ce cale a luat-o particula, deoarece produce un câmp gravitațional definit care curbează spațiu-timp și ne permite să determinăm locația particulei. 

Dar dacă acea interacțiune dintre particulă și spațiu-timp este aleatorie - sau imprevizibilă - atunci particula în sine nu dictează complet câmpul gravitațional. Ceea ce înseamnă că măsurarea câmpului gravitațional nu va determina întotdeauna prin ce fantă a trecut particula, deoarece câmpul gravitațional ar putea fi într-una dintre multele stări. Aleatoriile se strecoară și nu mai ai un paradox.

Deci, de ce nu cred mai mulți fizicieni că gravitația este clasică?

Ei bine, este logic posibil să avem o teorie în care să nu cuantificăm toate câmpurile. Dar pentru ca o teorie clasică a gravitației să fie în concordanță cu orice altceva care este cuantificat, atunci gravitația trebuie să fie fundamental aleatorie. Pentru mulți fizicieni, acest lucru este inacceptabil.

De ce?

Fizicienii petrec mult timp încercând să-și dea seama cum funcționează natura. Deci ideea că există, la un nivel foarte profund, ceva inerent imprevizibil este îngrijorătoare pentru mulți.

Rezultatul măsurătorilor în teoria cuantică pare a fi probabilistic. Dar mulți fizicieni preferă să creadă că ceea ce pare a fi aleatoriu este doar sistemul cuantic și aparatul de măsurare care interacționează cu mediul. Ei nu o văd ca pe o trăsătură fundamentală a realității.

Ce propui in schimb?

Cea mai bună presupunere este că următoarea teorie a gravitației va fi ceva care nu este nici complet clasic, nici complet cuantic, ci cu totul altceva.

Fizicienii vin doar cu modele care aproximează natura. Dar, ca o încercare de aproximare mai apropiată, studenții mei și cu mine am construit o teorie complet consistentă în care sistemele cuantice și spațiu-timp clasic interacționează. A trebuit doar să modificăm ușor teoria cuantică și să modificăm ușor relativitatea generală clasică pentru a permite defalcarea predictibilității care este necesară.

De ce ai început să lucrezi la aceste teorii hibride?

Am fost motivat de paradoxul informației găurii negre. Când arunci o particulă cuantică într-o gaură neagră și apoi lași acea gaură neagră să se evapore, întâlnești un paradox dacă crezi că găurile negre păstrează informații. Teoria cuantică standard cere ca orice obiect pe care îl aruncați în gaura neagră să fie radiat înapoi într-un mod amestecat, dar ușor de recunoscut. Dar asta încalcă relativitatea generală, care ne spune că nu poți ști niciodată despre obiectele care traversează orizontul evenimentelor găurii negre.

Dar dacă procesul de evaporare a găurii negre este indeterminist, atunci nu există paradox. Nu aflăm niciodată ce a fost aruncat în gaura neagră, deoarece predictibilitatea se defectează. Relativitatea generală este sigură.

Deci zgomotul din aceste teorii hibride cuantice-clasice permite pierderea informațiilor?

Exact. 

Dar conservarea informațiilor este un principiu cheie în mecanica cuantică. Pierderea acestui lucru nu poate fi ușor pentru mulți teoreticieni.

Este adevărat. Au existat dezbateri uriașe despre asta în ultimele decenii și aproape toată lumea a ajuns să creadă că evaporarea găurii negre este deterministă. Sunt mereu nedumerit de asta.

Se vor rezolva vreodată experimentele dacă gravitația este cuantificată sau nu?

La un moment dat. Încă nu știm aproape nimic despre gravitația la cele mai mici scale. Nici măcar nu a fost testat la scara milimetrică, darămite la scara unui proton. Dar există câteva experimente interesante care vin online care vor face asta.

Unul este o versiune modernă al „experimentului Cavendish”, care calculează puterea atracției gravitaționale dintre două sfere de plumb. Dacă există aleatoriu în câmpul gravitațional, ca în acești hibrizi cuantic-clasici, atunci când încercăm să-i măsurăm puterea, nu vom obține întotdeauna același răspuns. Câmpul gravitațional se va agita în jur. Orice teorie în care gravitația este fundamental clasică are un anumit nivel de zgomot gravitațional.

De unde știi că această aleatorie este intrinsecă câmpului gravitațional și nu un zgomot din mediu?

Tu nu. Gravitația este o forță atât de slabă încât chiar și cele mai bune experimente au deja o mulțime de vibrații în ele. Așa că trebuie să eliminați pe cât posibil toate aceste alte surse de zgomot. Ceea ce este interesant este că studenții mei și cu mine am arătat că, dacă aceste teorii hibride sunt adevărate, trebuie să existe o cantitate minimă de zgomot gravitațional. Acest lucru poate fi măsurat prin studierea atomilor de aur într-un experiment cu dublă fante. Aceste experimente stabilesc deja limite pentru a stabili dacă gravitația este fundamental clasică. Ne apropiem treptat de cantitatea de nedeterminare permisă.

Pe partea inversă a pariului, există experimente care să demonstreze că gravitația este cuantificată?

Sunt experimentele propuse care caută încurcarea mediată de câmpul gravitațional. Întrucât întricarea este un fenomen cuantic, acesta ar fi un test direct al naturii cuantice a gravitației. Aceste experimente sunt foarte interesante, dar probabil la zeci de ani distanță.