Физик, который делает ставку на то, что гравитацию нельзя квантовать | Журнал Кванта

Большинство физиков полагают, что когда мы приближаемся к ткани реальности, неинтуитивная странность квантовой механики сохраняется вплоть до самых мелких масштабов. Но в этих условиях квантовая механика сталкивается с классической гравитацией совершенно несовместимым образом.

Итак, в течение почти века теоретики пытались создать единую теорию, квантуя гравитацию или вылепляя ее по правилам квантовой механики. Они до сих пор не преуспели.

Джонатан Оппенгейм, который руководит программой изучения постквантовых альтернатив в Университетском колледже Лондона, подозревает, что это потому, что гравитацию просто нельзя втиснуть в квантовую коробку. Может быть, утверждает он, наше предположение о необходимости квантования неверно. «Эта точка зрения укоренилась, — сказал он. — Но никто не знает, что такое правда.

Квантовые теории основаны на вероятностях, а не на достоверности. Например, когда вы измеряете квантовую частицу, вы не можете точно предсказать, где вы ее найдете, но вы можете предсказать вероятность того, что она будет найдена в определенном месте. Более того, чем больше вы уверены в местоположении частицы, тем меньше вы уверены в ее импульсе. В течение 20-го века физики постепенно разобрались в электромагнетизме и других силах, используя эту схему. 

Но когда они попытались квантовать гравитацию, они столкнулись с неестественными бесконечностями, которые приходилось обходить неуклюжими математическими приемами.

 Проблемы возникают из-за того, что гравитация является результатом самого пространства-времени, а не чем-то, что действует поверх него. Итак, если гравитация квантуется, это означает, что квантуется и пространство-время. Но это не работает, потому что квантовая теория имеет смысл только на фоне классического пространства-времени — вы не можете добавлять, а затем развивать квантовые состояния поверх неопределенной основы. 

Чтобы разрешить этот глубокий концептуальный конфликт, большинство теоретиков обратились к теории струн, согласно которой материя и пространство-время возникают из крошечных вибрирующих струн. Меньшая фракция надеялась на петлевую квантовую гравитацию, которая заменяет гладкое пространство-время общей теории относительности Эйнштейна сетью взаимосвязанных петель. В обеих теориях наш знакомый классический мир каким-то образом возникает из этих принципиально квантовых строительных блоков. 

Оппенгейм изначально был сторонником теории струн, а сторонники теории струн верят в примат квантовой механики. Но вскоре ему стало не по себе от сложной математической акробатики, которую его сверстники проделывали, чтобы решить одну из самых печально известных проблем современной физики: информационный парадокс черной дыры. 

В 2017 году Оппенгейм начал поиск альтернатив, позволяющих избежать информационного парадокса, взяв за основу как квантовый, так и классический миры. Он наткнулся на некоторые пропущенные исследованиям на квантово-классическом гибридные теории с 1990-х годов, которыми он был простирающийся и исследование с тех пор. Изучая, как взаимодействуют классический и квантовый миры, Оппенгейм надеется найти более глубокую теорию, которая не будет ни квантовой, ни классической, а будет своего рода гибридом. «Часто мы кладем все яйца в несколько корзин, когда есть много возможностей», — сказал он. 

Чтобы подчеркнуть свою точку зрения, Оппенгейм недавно сделал ставку Джефф Пенингтон и Карло Ровелли — лидеры в соответствующих областях теории струн и петлевой квантовой гравитации. Шансы? 5,000 к 1. Если догадка Оппенгейма верна и пространство-время не квантовано, он может выиграть ведро картофельных чипсов, цветной пластик. Базинга шары, или стопки оливкового масла, в зависимости от его фантазии, при условии, что каждый предмет стоит не более 20 пенсов (около 25 центов).

Мы встретились в кафе на севере Лондона, заставленном книгами, где он спокойно изложил свои опасения по поводу статус-кво квантовой гравитации и восхвалял удивительную красоту этих гибридных альтернатив. «Они поднимают множество удивительно тонких вопросов, — сказал он. «Я действительно сбился с ног, пытаясь понять эти системы». Но он упорствует. 

«Я хочу свои 5,000 шаров для бейзинга».

Интервью было сокращено и отредактировано для ясности.

Почему большинство теоретиков так уверены, что пространство-время квантовано?

Это стало догмой. Все остальные поля в природе квантованы. Есть ощущение, что в гравитации нет ничего особенного — это просто поле, такое же, как и любое другое, — и поэтому мы должны его квантовать.

По вашему мнению, гравитация особенная?

Да. Физики определяют все остальные силы в терминах полей, развивающихся в пространстве-времени. Только гравитация говорит нам о геометрии и кривизне самого пространства-времени. Ни одна из других сил не описывает универсальную фоновую геометрию, в которой мы живем, так, как это делает гравитация.

На данный момент наша лучшая теория квантовой механики использует эту фоновую структуру пространства-времени, которую определяет гравитация. И если вы действительно верите, что гравитация квантована, тогда мы теряем эту фоновую структуру.

С какими проблемами вы столкнетесь, если гравитация классическая, а не квантованная?

Долгое время сообщество считало, что классическая гравитация логически невозможна, потому что соединение квантовой системы с классической системой привело бы к несоответствиям. В 1950-х годах Ричард Фейнман представил ситуацию, которая прояснила проблему: он начал с массивной частицы, которая находится в суперпозиции двух разных мест. Этими местами могут быть два отверстия в металлическом листе, как в знаменитом эксперименте с двумя щелями. Здесь частица также ведет себя как волна. Он создает интерференционную картину из светлых и темных полос по другую сторону щелей, что делает невозможным определение того, через какую щель он прошел. В популярных описаниях частица иногда описывается как проходящая через обе щели одновременно.

Но поскольку у частицы есть масса, она создает гравитационное поле, которое мы можем измерить. И это гравитационное поле говорит нам о его местоположении. Если гравитационное поле является классическим, мы можем измерить его с бесконечной точностью, определить местонахождение частицы и определить, через какую щель она прошла. Получается парадоксальная ситуация — интерференционная картина говорит нам, что мы не можем определить, через какую щель прошла частица, но классическое гравитационное поле позволяет нам это сделать.

Но если гравитационное поле квантовое, парадокса нет — вкрадывается неопределенность при измерении гравитационного поля, и поэтому мы все еще имеем неопределенность в определении местоположения частицы.

Итак, если гравитация ведет себя классически, вы в конечном итоге знаете слишком много. А значит, лелеемые идеи из квантовой механики, вроде суперпозиции, рушатся?

Да, гравитационное поле слишком много знает. Но в аргументах Фейнмана есть лазейка, которая может позволить классической гравитации работать.

Что это за лазейка?

В нынешнем виде мы знаем только, какой путь прошла частица, потому что она создает определенное гравитационное поле, искривляющее пространство-время и позволяющее нам определить местоположение частицы. 

Но если это взаимодействие между частицей и пространством-временем является случайным — или непредсказуемым — тогда сама частица не полностью определяет гравитационное поле. Это означает, что измерение гравитационного поля не всегда будет определять, через какую щель прошла частица, потому что гравитационное поле может находиться в одном из многих состояний. Вкрадывается случайность, и у вас больше нет парадокса.

Так почему же многие физики не считают гравитацию классической?

Что ж, логически возможно иметь теорию, в которой мы не квантуем все поля. Но чтобы классическая теория гравитации согласовывалась с квантованием всего остального, гравитация должна быть принципиально случайной. Для многих физиков это неприемлемо.

Почему?

Физики тратят много времени, пытаясь понять, как устроена природа. Так что мысль о том, что на очень глубоком уровне существует что-то непредсказуемое по своей сути, беспокоит многих.

Результат измерений в рамках квантовой теории кажется вероятностным. Но многие физики предпочитают думать, что случайность — это просто квантовая система и измерительный прибор, взаимодействующий с окружающей средой. Они не видят в этом какой-то фундаментальной черты реальности.

Что вы предлагаете взамен?

Я думаю, что следующая теория гравитации будет не полностью классической и не квантовой, а чем-то совершенно другим.

Физики всегда придумывают только модели, которые приближены к природе. Но в качестве попытки более близкого приближения мы с моими студентами построили полностью непротиворечивую теорию, в которой взаимодействуют квантовые системы и классическое пространство-время. Нам просто нужно было немного изменить квантовую теорию и классическую общую теорию относительности, чтобы допустить требуемое нарушение предсказуемости.

Почему вы начали работать над этими гибридными теориями?

Я был мотивирован информационным парадоксом черной дыры. Когда вы бросаете квантовую частицу в черную дыру, а затем позволяете этой черной дыре испариться, вы сталкиваетесь с парадоксом, если верите, что черные дыры сохраняют информацию. Стандартная квантовая теория требует, чтобы любой объект, который вы бросаете в черную дыру, излучался обратно каким-то зашифрованным, но узнаваемым образом. Но это нарушает общую теорию относительности, которая говорит нам, что вы никогда не сможете узнать об объектах, пересекающих горизонт событий черной дыры.

Но если процесс испарения черной дыры недетерминирован, то парадокса нет. Мы никогда не узнаем, что было брошено в черную дыру, потому что предсказуемость нарушается. Общая теория относительности безопасна.

Значит, зашумленность этих квантово-классических гибридных теорий приводит к потере информации?

В точку. 

Но сохранение информации — ключевой принцип квантовой механики. Потеря этого не может легко устроить многих теоретиков.

Это правда. В последние десятилетия по этому поводу велись огромные споры, и почти все пришли к выводу, что испарение черной дыры детерминировано. Я всегда озадачен этим.

Убедятся ли когда-нибудь эксперименты в том, квантована гравитация или нет?

В какой-то момент. Мы до сих пор почти ничего не знаем о гравитации в мельчайших масштабах. Он даже не был испытан в миллиметровом масштабе, не говоря уже о масштабе протона. Но есть несколько интересных экспериментов, которые сделают это в Интернете.

Одним из них является современная версия «Кавендишского эксперимента», который вычисляет силу гравитационного притяжения между двумя свинцовыми сферами. Если в гравитационном поле есть случайность, как в этих квантово-классических гибридах, то, когда мы попытаемся измерить его силу, мы не всегда получим один и тот же ответ. Гравитационное поле будет колебаться. Любая теория, в которой гравитация фундаментально классическая, имеет определенный уровень гравитационного шума.

Откуда вы знаете, что эта случайность присуща гравитационному полю, а не шуму из окружающей среды?

Вы не знаете. Гравитация — настолько слабая сила, что даже в самых лучших экспериментах уже есть много путаницы. Таким образом, вы должны устранить все эти другие источники шума, насколько это возможно. Что интересно, так это то, что мои студенты и я показали, что если эти гибридные теории верны, должно быть какое-то минимальное количество гравитационного шума. Это можно измерить, изучая атомы золота в эксперименте с двумя щелями. Эти эксперименты уже устанавливают границы того, является ли гравитация фундаментально классической. Мы постепенно приближаемся к допустимой неопределенности.

С другой стороны, есть ли какие-нибудь эксперименты, доказывающие, что гравитация квантована?

Существуют предлагаемые эксперименты которые ищут запутанность, опосредованную гравитационным полем. Поскольку запутанность — квантовое явление, это было бы прямой проверкой квантовой природы гравитации. Эти эксперименты очень захватывающие, но, вероятно, через десятилетия.