Fizik, ki stavi, da gravitacije ni mogoče kvantizirati | Revija Quanta

Večina fizikov pričakuje, da ko približamo strukturo realnosti, neintuitivna nenavadnost kvantne mehanike vztraja do najmanjšega obsega. Toda v teh nastavitvah kvantna mehanika trči s klasično gravitacijo na odločno nezdružljiv način.

Skoraj stoletje so torej teoretiki poskušali ustvariti enotno teorijo s kvantiziranjem gravitacije ali njenim oblikovanjem v skladu s pravili kvantne mehanike. Še vedno jim ni uspelo.

Jonathan Oppenheim, ki vodi program za raziskovanje postkvantnih alternativ na University College London, sumi, da je to zato, ker gravitacije preprosto ni mogoče stlačiti v kvantno škatlo. Mogoče, trdi, je naša domneva, da mora biti kvantizirana, napačna. "Ta pogled je zakoreninjen," je dejal. "A nihče ne ve, kaj je resnica."

Kvantne teorije temeljijo na verjetnostih in ne na gotovostih. Na primer, ko merite kvantni delec, ne morete natančno napovedati, kje ga boste našli, lahko pa napoveste verjetnost, da ga boste našli na določenem mestu. Še več, bolj ko ste prepričani o lokaciji delca, manj ste prepričani o njegovi zagonski količini. V 20. stoletju so fiziki z uporabo tega okvira postopoma razumeli elektromagnetizem in druge sile. 

Toda ko so poskušali kvantizirati gravitacijo, so naleteli na nenaravne neskončnosti, ki jih je bilo treba obiti z nerodnimi matematičnimi triki.

 Težave nastanejo, ker je gravitacija posledica samega prostora-časa in ne nečesa, kar deluje na njem. Torej, če je gravitacija kvantizirana, to pomeni, da je kvantiziran tudi prostor-čas. Toda to ne deluje, ker je kvantna teorija smiselna le na podlagi klasičnega prostor-časovnega ozadja – ne morete dodati in nato razviti kvantnih stanj na negotovem temelju. 

Da bi rešili ta globok konceptualni konflikt, se je večina teoretikov obrnila na teorijo strun, ki si predstavlja, da materija in prostor-čas izhajata iz drobnih, vibrirajočih strun. Manjša frakcija si je prizadevala za zanko kvantne gravitacije, ki nadomešča gladek prostor-čas Einsteinove splošne teorije relativnosti z mrežo prepletenih zank. V obeh teorijah naš znani, klasični svet nekako izhaja iz teh v osnovi kvantnih gradnikov. 

Oppenheim je bil prvotno teoretik strun in teoretiki strun verjamejo v primarnost kvantne mehanike. Toda kmalu mu je postalo neprijetno zaradi dovršenih matematičnih akrobacij, ki so jih izvajali njegovi vrstniki, da bi se lotili enega najbolj razvpitih problemov sodobne fizike: paradoks informacij o črni luknji. 

Leta 2017 je Oppenheim začel iskati alternative, ki bi se izognile informacijskemu paradoksu tako, da bi za temelj vzele tako kvantni kot klasični svet. Naletel je na nekaj spregledanih Raziskave na kvantno-klasičnem hibridne teorije iz devetdesetih, kar je bil razširitev in raziskovati odkar. S preučevanjem, kako sta klasični in kvantni svet med seboj povezana, Oppenheim upa, da bo našel globljo teorijo, ki ni ne kvantna ne klasična, ampak nekakšen hibrid. "Pogosto damo vsa jajca v nekaj košar, ko je veliko možnosti," je dejal. 

Da bi pojasnil svoje stališče, je Oppenheim nedavno stavil z Geoff Penington in Carlo Robelli — vodilni na svojih področjih teorije strun in zanke kvantne gravitacije. Možnosti? 5,000 proti 1. Če je Oppenheimova slutnja pravilna in prostor-čas ni kvantiziran, bo osvojil polna vedra čipsa, pisane plastike bazinga kroglice, ali posnetke oljčnega olja, glede na njegovo domišljijo - če vsak kos stane največ 20 penijev (približno 25 centov).

Srečala sva se v kavarni v severnem Londonu, obloženi s knjigami, kjer je mirno razkril svoje skrbi glede statusa quo kvantne gravitacije in poveličeval presenetljivo lepoto teh hibridnih alternativ. "Odpirajo vse vrste neverjetno subtilnih vprašanj," je dejal. "Res sem izgubil noge, ko sem poskušal razumeti te sisteme." A vztraja. 

"Hočem svojih 5,000 bazinga žog."

Intervju je bil zgoščen in urejen zaradi jasnosti.

Zakaj je večina teoretikov tako prepričanih, da je prostor-čas kvantiziran?

To je postalo dogma. Vsa ostala polja v naravi so kvantizirana. Obstaja občutek, da gravitacija ni nič posebnega - je samo polje kot vsako drugo - in zato bi ga morali kvantizirati.

Je gravitacija po vašem mnenju nekaj posebnega?

ja Fiziki definirajo vse druge sile v smislu polj, ki se razvijajo v prostoru-času. Sama gravitacija nam pove o geometriji in ukrivljenosti samega prostora-časa. Nobena od drugih sil ne opisuje univerzalne geometrije ozadja, v katerem živimo, kot to počne gravitacija.

Trenutno naša najboljša teorija kvantne mehanike uporablja to strukturo ozadja prostora-časa, ki jo določa gravitacija. In če res verjamete, da je gravitacija kvantizirana, potem izgubimo to strukturo ozadja.

Na kakšne težave naletite, če je gravitacija klasična in ni kvantizirana?

Dolgo časa je skupnost verjela, da je logično nemogoče, da bi bila gravitacija klasična, ker bi spajanje kvantnega sistema s klasičnim sistemom povzročilo nedoslednosti. V petdesetih letih 1950. stoletja si je Richard Feynman zamislil situacijo, ki je osvetlila problem: začel je z masivnim delcem, ki je v superpoziciji dveh različnih lokacij. Te lokacije bi lahko bile dve luknji v kovinski pločevini, kot v znanem eksperimentu z dvojno režo. Tudi tu se delec obnaša kot val. Na drugi strani rež ustvarja interferenčni vzorec svetlih in temnih črt, zaradi česar ni mogoče vedeti, skozi katero režo je šel. V priljubljenih poročilih je delec včasih opisan tako, da gre skozi obe reži hkrati.

Ker pa ima delec maso, ustvari gravitacijsko polje, ki ga lahko izmerimo. In to gravitacijsko polje nam pove njegovo lokacijo. Če je gravitacijsko polje klasično, ga lahko izmerimo do neskončne natančnosti, sklepamo o lokaciji delca in ugotovimo, skozi katero režo je šel. Torej imamo paradoksalno situacijo - interferenčni vzorec nam pove, da ne moremo ugotoviti, skozi katero režo je šel delec, vendar nam klasično gravitacijsko polje omogoča prav to.

Če pa je gravitacijsko polje kvantno, paradoksa ni — pri merjenju gravitacijskega polja se prikrade negotovost, zato imamo še vedno negotovost pri določanju lokacije delca.

Torej, če se gravitacija obnaša klasično, na koncu veste preveč. In to pomeni, da cenjene ideje iz kvantne mehanike, kot je superpozicija, propadejo?

Da, gravitacijsko polje ve preveč. Toda v Feynmanovem argumentu obstaja vrzel, ki bi lahko omogočila delovanje klasične gravitacije.

Kaj je ta vrzel?

V sedanjem stanju vemo le, katero pot je ubral delec, ker proizvaja določeno gravitacijsko polje, ki ukrivlja prostor-čas in nam omogoča, da določimo lokacijo delca. 

Toda če je ta interakcija med delcem in prostorom-časom naključna - ali nepredvidljiva - potem delec sam ne narekuje popolnoma gravitacijskega polja. Kar pomeni, da merjenje gravitacijskega polja ne bo vedno določilo, skozi katero režo je šel delec, ker je gravitacijsko polje lahko v enem od številnih stanj. Naključnost se prikrade in nimaš več paradoksa.

Zakaj torej več fizikov ne misli, da je gravitacija klasična?

No, logično je mogoče imeti teorijo, v kateri ne kvantiziramo vseh polj. Da pa je klasična teorija gravitacije skladna z vsem drugim, kar je kvantizirano, mora biti gravitacija v osnovi naključna. Za mnoge fizike je to nesprejemljivo.

Zakaj?

Fiziki porabijo veliko časa, da bi ugotovili, kako narava deluje. Zamisel, da je na zelo globoki ravni nekaj nepredvidljivega, je torej za mnoge zaskrbljujoča.

Zdi se, da so rezultati meritev v kvantni teoriji verjetnostni. Toda mnogi fiziki raje mislijo, da je tisto, kar se zdi naključnost, samo kvantni sistem in merilni aparat, ki sodelujeta z okoljem. Tega ne vidijo kot neke temeljne lastnosti realnosti.

Kaj predlagate namesto tega?

Moja najboljša domneva je, da bo naslednja teorija gravitacije nekaj, kar ni niti povsem klasična niti popolnoma kvantna, ampak nekaj povsem drugega.

Fiziki vedno prihajajo le do modelov, ki se približajo naravi. Toda kot poskus natančnejšega približka smo s študenti zgradili popolnoma dosledno teorijo, v kateri kvantni sistemi in klasični prostor-čas medsebojno delujejo. Samo nekoliko smo morali spremeniti kvantno teorijo in klasično splošno relativnost, da bi omogočili razčlenitev predvidljivosti, ki je potrebna.

Zakaj ste se začeli ukvarjati s temi hibridnimi teorijami?

Motiviral me je informacijski paradoks črne luknje. Ko vržete kvantni delec v črno luknjo in nato pustite, da črna luknja izhlapi, naletite na paradoks, če verjamete, da črne luknje ohranjajo informacije. Standardna kvantna teorija zahteva, da se kateri koli predmet, ki ga vržete v črno luknjo, seva nazaj na nek kodiran, a prepoznaven način. Toda to krši splošno relativnost, ki nam pravi, da nikoli ne morete vedeti za predmete, ki prečkajo obzorje dogodkov črne luknje.

Toda če je proces izhlapevanja črne luknje nedeterminističen, potem ni paradoksa. Nikoli ne izvemo, kaj je bilo vrženo v črno luknjo, ker predvidljivost pokvari. Splošna relativnost je varna.

Torej hrup v teh kvantno-klasičnih hibridnih teorijah omogoča izgubo informacij?

Točno tako. 

Toda ohranjanje informacij je ključno načelo kvantne mehanike. Mnogim teoretikom to ne more biti enostavno izguba.

To je res. V zadnjih desetletjih so bile o tem velike razprave in skoraj vsi so verjeli, da je izhlapevanje črne luknje deterministično. To me vedno čudi.

Ali bodo poskusi kdaj razrešili, ali je gravitacija kvantizirana ali ne?

Na neki točki. O gravitaciji na najmanjših merilih še vedno ne vemo skoraj nič. Preizkušen ni bil niti v milimetrskem merilu, kaj šele v protonskem merilu. Toda na spletu prihaja nekaj razburljivih poskusov, ki bodo to storili.

Eden je sodobna različica »Cavendishevega eksperimenta«, ki izračuna moč gravitacijske privlačnosti med dvema svinčenima kroglama. Če je v gravitacijskem polju naključnost, kot v teh kvantno-klasičnih hibridih, potem, ko poskušamo izmeriti njegovo moč, ne bomo vedno dobili enakega odgovora. Gravitacijsko polje bo nihalo. Vsaka teorija, v kateri je gravitacija v osnovi klasična, ima določeno raven gravitacijskega šuma.

Kako veste, da je ta naključnost lastna gravitacijskemu polju in ne hrupu iz okolja?

ti ne. Gravitacija je tako šibka sila, da imajo tudi najboljši poskusi že veliko tresenja v sebi. Zato morate čim bolj odstraniti vse te druge vire hrupa. Navdušujoče je, da smo s študenti pokazali, da če so te hibridne teorije resnične, mora obstajati minimalna količina gravitacijskega šuma. To je mogoče izmeriti s preučevanjem atomov zlata v eksperimentu z dvojno režo. Ti poskusi že postavljajo meje glede tega, ali je gravitacija v osnovi klasična. Postopoma se približujemo dovoljeni količini nedoločenosti.

Na drugi strani stave, ali obstajajo kakšni poskusi, ki bi dokazali, da je gravitacija kvantizirana?

obstajajo predlagani poskusi ki iščejo zapletenost, posredovano z gravitacijskim poljem. Ker je prepletenost kvantni pojav, bi bil to neposreden preizkus kvantne narave gravitacije. Ti poskusi so zelo vznemirljivi, a verjetno čez desetletja.