Förenande gravitation och kvantmekanik utan behov av kvantgravitation – Physics World

Förenande gravitation och kvantmekanik utan behov av kvantgravitation – Physics World

Tidsstämpel: 8 januari 2024 4:42

Kvant- och klassisk koppling
Slumpmässig koppling: Jonathan Oppenheim har utvecklat ett nytt sätt att förena kvantmekaniken och den allmänna relativitetsteorin. (Med tillstånd: Shutterstock/Rost9)

Jonathan Oppenheim vid University College London har utvecklat ett nytt teoretiskt ramverk som syftar till att förena kvantmekanik och klassisk gravitation – utan att behöva en teori om kvantgravitation. Oppenheims tillvägagångssätt tillåter gravitationen att förbli klassisk, samtidigt som den kopplas till kvantvärlden genom en stokastisk (slumpmässig) mekanism.

I decennier har teoretiska fysiker kämpat för att förena Einsteins allmänna relativitetsteori – som beskriver gravitation – med kvantteorin, som beskriver nästan allt annat inom fysiken. Ett grundläggande problem är att kvantteorin antar att rum-tid är fixerat, medan den allmänna relativitetsteorin säger att rum-tid förändras dynamiskt som svar på närvaron av massiva objekt.

Hittills har försoningsinsatser dominerats av tanken att vår nuvarande förståelse av gravitationen är ofullständig och att det krävs en kvantifierad beskrivning av interaktionen. Detta resonemang har lett till många undersökningslinjer – inklusive utvecklingen av strängteori och loopkvantgravitation. Men experiment för att testa dessa idéer är extremt utmanande, och en teori om kvantgravitation är fortfarande svårfångad.

Kopplade verkligheter

Kvantgravitation är inte den enda vägen till enande, och problemet kan lösas genom att undersöka huruvida kvantmekanik och allmän relativitet kan kopplas i ett tillstånd av samexistens.

Detta tillvägagångssätt har dock fallit förbi eftersom det verkar åberopa olika "no-go-satser" som gör kopplingen omöjlig. Faktum är att många kopplingsscheman skulle bryta mot Heisenbergs osäkerhetsprincip - vilket är en central grundsats i kvantteorin.

Ett nyckelantagande som delas av tidigare kopplingsscheman är att sambandet mellan kvantvärlden och gravitationsvärlden är reversibel. Detta innebär att om systemets tillstånd mäts vid en given tidpunkt, kan det användas tillsammans med dess rörelseekvationer för att förutsäga dess tillstånd när som helst i det förflutna eller framtiden.

Nu hävdar Oppenheim att detta antagande kanske inte behövs och säger att kopplingen kan vara stokastisk. Detta innebär att systemets tidigare och framtida tillstånd inte kan förutsägas definitivt baserat på en enda mätning. Istället kan det förflutna och framtiden bara förutsägas med probabilistiska ekvationer som presenterar en rad möjligheter.

Stokastiska ramverk

I sin studie bygger Oppenheim på denna idé för att utveckla ett nytt stokastiskt ramverk för att koppla samman kvantvärlden och den klassiska gravitationsvärlden. Eftersom dessa världar har fundamentalt olika regler, använder Oppenheims teori separata statistiska teorier för var och en av dem.

På kvantsidan antar Oppenheim att systemets tillstånd ständigt påverkas av slumpmässiga fluktuationer i den omgivande miljön. På den klassiska sidan visas istället tillstånd som sannolikhetsfördelningar inom systemets fasutrymme.

Genom att dra dessa två beskrivningar tillsammans beskriver Oppenheim ett enda "klassiskt kvanttillstånd". Detta tillstånd förutsäger samtidigt systemets sannolikhet att existera i någon region av fasrymden och dess kvanttillstånd i den specifika regionen.

Detta gjorde det möjligt för Oppenheim att härleda en ekvation som beskriver kopplingen mellan kvantmekanik och klassisk gravitation, samtidigt som var och en av deras unika egenskaper bevaras. Detta i sin tur gjorde det möjligt för honom att utforska de djupare fysiska implikationerna av sina idéer. Dessa inkluderar möjligheten till koppling mellan allmän relativitet och kvantfältsteorin som ligger till grund för standardmodellen för partikelfysik.

Förslaget beskrivs i Fysisk granskning X. I en synpunktsartikel som medföljer tidningen, Thomas Galley vid Österrikes Institute of Quantum Optics and Quantum Information i Wien säger att Oppenheims idé är både radikal och konservativ på samma gång – och förkastar fast rotade antaganden, samtidigt som den fortfarande är förenlig med sedan länge etablerade fysiska lagar. Han varnar dock för att "handla kvantitet för stokasticitet har sina egna konceptuella svårigheter". Han påpekar att "Oppenheim finner att kvantinformation kan gå förlorad i ett svart hål, ett resultat som många fysiker kan tycka är oacceptabelt".

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden