Fysikern som satsar på att gravitationen inte kan kvantiseras | Quanta Magazine

De flesta fysiker förväntar sig att när vi zoomar in på verklighetens struktur, kvarstår kvantmekanikens ointuitiva konstigheter ner till de allra minsta skalorna. Men i dessa miljöer kolliderar kvantmekaniken med klassisk gravitation på ett resolut inkompatibelt sätt.

Så i nästan ett sekel har teoretiker försökt skapa en enhetlig teori genom att kvantisera gravitationen, eller skulptera den enligt kvantmekanikens regler. De har fortfarande inte lyckats.

Jonathan Oppenheim, som driver ett program som utforskar post-kvantalternativ vid University College London, misstänker att det beror på att gravitationen helt enkelt inte kan pressas in i en kvantlåda. Kanske, menar han, är vår presumtion att den måste kvantifieras felaktig. "Den synen är rotad", sa han. "Men ingen vet vad sanningen är."

Kvantteorier bygger på sannolikheter snarare än på säkerheter. Till exempel, när du mäter en kvantpartikel kan du inte förutsäga exakt var du kommer att hitta den, men du kan förutsäga sannolikheten att den kommer att hittas på en viss plats. Vad mer är, ju säkrare du är om en partikels placering, desto mindre säker är du på dess rörelsemängd. Under 20-talet förstod fysiker gradvis elektromagnetism och andra krafter genom att använda detta ramverk. 

Men när de försökte kvantisera gravitationen, stötte de på onaturliga oändligheter som måste kringgås med klumpiga matematiska knep.

 Problemen uppstår eftersom gravitationen är ett resultat av rumtiden i sig, snarare än något som verkar ovanpå den. Så om gravitationen kvantiseras betyder det att rum-tid också kvantiseras. Men det fungerar inte, eftersom kvantteorin bara är vettig mot en klassisk rum-tidsbakgrund - du kan inte lägga till och sedan utveckla kvanttillstånd ovanpå en osäker grund. 

För att hantera denna djupa konceptuella konflikt vände sig de flesta teoretiker till strängteorin, som föreställer sig att materia och rum-tid uppstår ur små, vibrerande strängar. En mindre fraktion såg till att loopa kvantgravitation, som ersätter den jämna rum-tiden i Einsteins allmänna relativitetsteori med ett nätverk av sammankopplade loopar. I båda teorierna kommer vår välbekanta, klassiska värld på något sätt fram ur dessa i grunden kvantbyggda byggstenar. 

Oppenheim var ursprungligen en strängteoretiker, och strängteoretiker tror på kvantmekanikens företräde. Men han blev snart obekväm med den utarbetade matematiska akrobatiken som hans kamrater utförde för att ta itu med ett av de mest ökända problemen inom modern fysik: svart hål informations paradox. 

2017 började Oppenheim leta efter alternativ som undvek informationsparadoxen genom att ta både kvantvärlden och den klassiska världarna som grundstenar. Han snubblade över några förbisedda forskning på kvantklassisk hybridteorier från 1990-talet, vilket han har varit sträcker och utforska alltsedan. Genom att studera hur den klassiska och kvantvärlden hänger ihop hoppas Oppenheim hitta en djupare teori som varken är kvant eller klassisk, utan någon sorts hybrid. "Ofta lägger vi alla våra ägg i några korgar, när det finns många möjligheter," sa han. 

För att göra sin poäng, Oppenheim nyligen gjorde en satsning med Geoff Penington och Carlo Robelli — ledare inom sina respektive områden av strängteori och loopkvantgravitation. Oddsen? 5,000 1-till-XNUMX. Om Oppenheims gissning är korrekt och rumtiden inte är kvantifierad, kommer han att vinna hinkar med potatischips, färgglad plast bazinga bollar, eller shots av olivolja, enligt hans fantasi - så länge varje föremål kostar högst 20 pence (cirka 25 cent).

Vi träffades på ett kafé i norra London kantat av böcker, där han lugnt packade upp sina farhågor om kvantgravitationens status quo och hyllade den överraskande skönheten i dessa hybridalternativ. "De väcker alla typer av anmärkningsvärt subtila frågor," sa han. "Jag har verkligen tappat fötterna när jag försöker förstå de här systemen." Men han håller ut. 

"Jag vill ha mina 5,000 XNUMX bazingabollar."

Intervjun har kondenserats och redigerats för tydlighetens skull.

Varför är de flesta teoretiker så säkra på att rum-tid är kvantiserad?

Det har blivit dogm. Alla andra fält i naturen är kvantiserade. Det finns en känsla av att det inte finns något speciellt med gravitationen - det är bara ett fält som alla andra - och därför bör vi kvantisera det.

Är gravitationen speciell enligt dig?

Ja. Fysiker definierar alla andra krafter i termer av fält som utvecklas i rum-tid. Tyngdkraften ensam berättar om geometrin och krökningen av rumtiden själv. Ingen av de andra krafterna beskriver den universella bakgrundsgeometrin som vi lever i som gravitationen gör.

För tillfället använder vår bästa teori om kvantmekanik denna bakgrundsstruktur av rum-tid - som gravitationen definierar. Och om du verkligen tror att gravitationen är kvantiserad, så tappar vi den bakgrundsstrukturen.

Vilka typer av problem stöter du på om gravitationen är klassisk och inte kvantifierad?

Under lång tid trodde samhället att det var logiskt omöjligt för gravitationen att vara klassisk eftersom att koppla ett kvantsystem med ett klassiskt system skulle leda till inkonsekvenser. På 1950-talet föreställde sig Richard Feynman en situation som belyste problemet: Han började med en massiv partikel som är i en superposition av två olika platser. Dessa platser kan vara två hål i en metallplåt, som i det berömda dubbelslitsexperimentet. Här beter sig partikeln också som en våg. Det skapar ett interferensmönster av ljusa och mörka ränder på andra sidan av slitsarna, vilket gör det omöjligt att veta vilken slits den gick igenom. I populära konton beskrivs partikeln ibland som att den går igenom båda slitsarna samtidigt.

Men eftersom partikeln har massa skapar den ett gravitationsfält som vi kan mäta. Och det gravitationsfältet talar om för oss dess plats. Om gravitationsfältet är klassiskt kan vi mäta det med oändlig precision, härleda partikelns placering och bestämma vilken slits den gick igenom. Så vi har då en paradoxal situation - interferensmönstret säger oss att vi inte kan avgöra vilken slits partikeln gick igenom, men det klassiska gravitationsfältet låter oss göra just det.

Men om gravitationsfältet är kvant, finns det ingen paradox - osäkerhet smyger sig in när man mäter gravitationsfältet, och så vi har fortfarande osäkerhet när det gäller att bestämma partikelns plats.

Så om gravitationen beter sig klassiskt, slutar du med att du vet för mycket. Och det betyder att omhuldade idéer från kvantmekaniken, som superposition, går sönder?

Ja, gravitationsfältet vet för mycket. Men det finns ett kryphål i Feynmans argument som kan tillåta klassisk gravitation att fungera.

Vad är det för kryphål?

Som det ser ut vet vi bara vilken väg partikeln tog eftersom den producerar ett bestämt gravitationsfält som böjer rum-tiden och låter oss bestämma partikelns plats. 

Men om den interaktionen mellan partikeln och rum-tid är slumpmässig - eller oförutsägbar - så dikterar inte partikeln själv helt gravitationsfältet. Vilket betyder att mätning av gravitationsfältet inte alltid kommer att avgöra vilken slits partikeln gick igenom eftersom gravitationsfältet kan vara i ett av många tillstånd. Slumpen smyger sig på, och du har inte längre någon paradox.

Så varför tror inte fler fysiker att gravitationen är klassisk?

Tja, det är logiskt möjligt att ha en teori där vi inte kvantiserar alla fält. Men för att en klassisk gravitationsteori ska stämma överens med allt annat som kvantiseras, måste gravitationen vara i grunden slumpmässig. För många fysiker är det oacceptabelt.

Varför?

Fysiker ägnar mycket tid åt att försöka ta reda på hur naturen fungerar. Så tanken att det på ett mycket djupt plan finns något som är i sig oförutsägbart oroar många.

Resultatet av mätningar inom kvantteorin verkar vara probabilistiska. Men många fysiker föredrar att tro att det som framstår som slumpmässighet bara är kvantsystemet och mätapparaten som interagerar med miljön. De ser det inte som något grundläggande drag i verkligheten.

Vad föreslår du istället?

Min bästa gissning är att nästa teori om gravitation kommer att vara något som varken är helt klassiskt eller helt kvant, utan något helt annat.

Fysiker kommer bara någonsin med modeller som approximerar naturen. Men som ett försök till en närmare approximation, konstruerade mina elever och jag en helt konsekvent teori där kvantsystem och klassisk rum-tid interagerar. Vi var bara tvungna att modifiera kvantteorin något och modifiera den klassiska allmänna relativitetsteorin något för att möjliggöra den nedbrytning av förutsägbarhet som krävs.

Varför började du arbeta med dessa hybridteorier?

Jag motiverades av det svarta hålets informationsparadox. När du kastar en kvantpartikel i ett svart hål och sedan låter det svarta hålet avdunsta, möter du en paradox om du tror att svarta hål bevarar information. Standard kvantteori kräver att vilket föremål du än kastar in i det svarta hålet strålar ut tillbaka på något förvrängt men igenkännbart sätt. Men det bryter mot den allmänna relativitetsteorien, som säger oss att man aldrig kan veta om föremål som korsar det svarta hålets händelsehorisont.

Men om det svarta hålets avdunstning är indeterministisk så finns det ingen paradox. Vi lär oss aldrig vad som kastades i det svarta hålet eftersom förutsägbarheten går sönder. Generell relativitetsteori är säker.

Så brusigheten i dessa kvantklassiska hybridteorier gör att information går förlorad?

Exakt. 

Men informationsbevarande är en nyckelprincip inom kvantmekaniken. Att förlora detta kan inte vara lätt för många teoretiker.

Det är sant. Det har varit enorma debatter om detta under de senaste decennierna, och nästan alla kom att tro att avdunstning av svarta hål är deterministisk. Jag blir alltid förbryllad över det.

Kommer experiment någonsin att lösa om gravitationen är kvantiserad eller inte?

Vid något tillfälle. Vi vet fortfarande nästan ingenting om gravitation på de minsta skalorna. Den har inte ens testats i millimeterskalan, än mindre i en protons skala. Men det finns några spännande experiment på nätet som kommer att göra det.

En är en modern version av "Cavendish-experimentet", som beräknar styrkan hos gravitationsattraktionen mellan två blysfärer. Om det finns slumpmässighet i gravitationsfältet, som i dessa kvantklassiska hybrider, kommer vi inte alltid att få samma svar när vi försöker mäta dess styrka. Gravitationsfältet kommer att vicka runt. Varje teori där gravitationen i grunden är klassisk har en viss nivå av gravitationsbrus.

Hur vet du att denna slumpmässighet är inneboende i gravitationsfältet och inte något brus från omgivningen?

Det gör du inte. Tyngdkraften är en så svag kraft att även de bästa experimenten redan har mycket jiggle i sig. Så du måste eliminera alla dessa andra bullerkällor så mycket som möjligt. Det som är spännande är att mina elever och jag visade att om dessa hybridteorier är sanna måste det finnas en minimal mängd gravitationsbrus. Detta kan mätas genom att studera guldatomer i ett dubbelslitsexperiment. Dessa experiment sätter redan gränser för huruvida gravitationen i grunden är klassisk. Vi närmar oss gradvis mängden obestämdhet som tillåts.

På baksidan av vadet, finns det några experiment som skulle bevisa att gravitationen är kvantifierad?

Det finns föreslagna experiment som letar efter intrassling medierad av gravitationsfältet. Eftersom intrassling är ett kvantfenomen, skulle det vara ett direkt test av gravitationens kvantnatur. Dessa experiment är mycket spännande, men förmodligen årtionden bort.