คลารา อัลเดกุนเด ออกเดินทางสู่การเดินทางอันชาญฉลาดเพื่อทำความเข้าใจว่าปรากฏการณ์ควอนตัมสามารถเชื่อมโยงโครงสร้างแห่งอวกาศและเวลาเข้าด้วยกันได้อย่างไร และก่อให้เกิดความเป็นจริงของเรา
พฤศจิกายน 2021, Clara Aldegunde บนชั้น 2 ของหอสมุดกลาง, Imperial College London, สหราชอาณาจักร
ฉันอยู่ที่ห้องสมุด หมกมุ่นอยู่กับการค้นคว้าบทความแรกของฉันเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัม เมื่อโทรศัพท์ของฉันดังขึ้น และฉันก็กลับมาสู่ความเป็นจริง พ่อแม่ของฉันกำลังโทรมา และฉันรีบออกจากพื้นที่อ่านหนังสือเงียบๆ เพื่อคุยกับพวกเขา
หลังจากการทักทายและการนินทาตามปกติ ฉันก็อดไม่ได้ที่จะแบ่งปันสิ่งที่ฉันได้เรียนรู้ไปให้พวกเขาฟัง ฉันได้เรียนรู้ว่านักทฤษฎีบางคนคิดว่าปฏิสัมพันธ์ของควอนตัมมีหน้าที่สร้างโครงสร้างของกาล-อวกาศในจักรวาลของเรา นักวิจัยเหล่านี้หวังว่าจะอธิบายว่าทั้งอวกาศและเวลาเกิดขึ้นได้อย่างไรโดยใช้แบบจำลองที่เรียบง่ายและเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ แม้ว่าการตรวจสอบเพิ่มเติมมีความสำคัญอย่างยิ่งในการคาดเดาทฤษฎีนี้กับจักรวาลที่มีลักษณะเช่นเดียวกับของเรา แต่นี่อาจเป็นก้าวแรกที่มีแนวโน้มไปสู่แรงโน้มถ่วงควอนตัมและ "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" ที่ใคร่ครวญมายาวนาน
“มันไม่น่าตื่นเต้นเหรอ?” ฉันถามพ่อแม่ของฉันที่ฟังอย่างตกตะลึงในอีกด้านหนึ่งของบรรทัด ด้วยความตั้งใจที่จะทำให้พวกเขาเข้าใจความหมายที่ลึกซึ้งอย่างไม่น่าเชื่อของแนวคิดนี้ ฉันพบว่าฉันต้องเริ่มต้นด้วยการอธิบายพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม
หากต้องการเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัมอย่างแท้จริง เราต้องละทิ้งกรอบความคิดแบบคลาสสิกของเราออกไป ตอนนี้ มีสองสิ่งที่ฉันแน่ใจ: ฉันอยู่ในเซาท์เคนซิงตัน ลอนดอน ยืนอยู่เฉยๆ อธิบายกลศาสตร์ควอนตัมให้ครอบครัวฟัง และพวกเขากำลังนั่งอยู่บนโซฟาที่อยู่ห่างออกไป 2197 กม. ถ้าเราเป็นอนุภาคควอนตัม เช่น โปรตอนและอิเล็กตรอน สิ่งนี้จะไม่เป็นจริงเลย ในกลศาสตร์คลาสสิก เรามีคำตอบที่ชัดเจนเมื่อถามตำแหน่งและโมเมนตัมของระบบ ณ เวลาที่กำหนด แต่ข้ามขอบเขตจากอาณาจักรคลาสสิกไปสู่อาณาจักรควอนตัม แล้วคุณจะพบว่า กฎเหล่านี้พังทลายลง เช่นเดียวกับที่นักฟิสิกส์ทำเมื่อต้นศตวรรษที่ 20
ในระดับควอนตัม ไม่มีใครสามารถทำนายทั้งตำแหน่งของอนุภาคและโมเมนตัมในเวลาที่กำหนดได้อย่างแม่นยำทั้งหมด และเพื่ออธิบายระบบใดๆ เราจำเป็นต้องมีฟังก์ชันคลื่น ซึ่งเป็นคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของสถานะควอนตัมของระบบ ซึ่งมีข้อมูลที่วัดได้ทั้งหมด เพื่อจัดการกับลักษณะความน่าจะเป็นของการวัดควอนตัม นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมอนุภาคควอนตัมจึงแสดงออกมาทางคณิตศาสตร์ในลักษณะที่รวบรวมความเป็นไปได้หลายประการ ซึ่งมีอยู่ใน "การซ้อน" ของสถานะต่างๆ ในเวลาเดียวกัน เมื่อเราทำการวัด ฟังก์ชันคลื่นจะยุบลงและเลือกค่าที่แน่นอนเพียงค่าเดียว ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่เราสังเกตเห็น นั่นคือการวัดค่าที่แน่นอนที่ทราบ
หลังจากแนะนำพ่อแม่อย่างรวดเร็ว และจู่ๆ ก็คิดถึงบิลค่าโทรศัพท์ ฉันจึงตัดสินใจตรงไปที่ประเด็นหลักของบทความที่ฉันกำลังทำอยู่ นั่นก็คือ การพัวพันกับควอนตัม ด้วยความกระตือรือร้นเกินกว่าจะสงสัยว่าพวกเขาได้ปฏิบัติตามคำอธิบายของฉันแล้วหรือยัง ฉันพยายามชี้แจงว่าแนวคิดนี้เป็นอย่างไร “ลักษณะเฉพาะของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นแนวคิดที่บังคับให้แนวคิดนี้แยกจากแนวความคิดแบบคลาสสิกทั้งหมด” – เช่นเดียวกับที่ Erwin Schrödinger ประกาศไว้เกือบ 90 ปีที่แล้ว (คณิตศาสตร์. โปรค แคมบ. ฟิลอส. สังคมสงเคราะห์. 32 446).
การพัวพันเป็นปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมล้วนๆ โดยที่อนุภาคตั้งแต่สองอนุภาคขึ้นไปสามารถมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกันมากกว่าที่ฟิสิกส์คลาสสิกอนุญาต หมายความว่าถ้าเรากำหนดสถานะของอนุภาคตัวใดตัวหนึ่ง มันจะแก้ไขสถานะควอนตัมของอนุภาคตัวอื่นทันทีไม่ว่าพวกมันจะอยู่ใกล้หรือไกลแค่ไหนก็ตาม นอกจากนี้ยังหมายความว่าหากอนุภาคที่พันกันสองอนุภาคอยู่ในตำแหน่งซ้อนทับกัน การล่มสลายของฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคตัวหนึ่งหมายถึงการล่มสลายของอนุภาคอีกตัวหนึ่งที่มีการประสานกันทันที ความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งนี้ดูเหมือนจะอยู่เหนืออวกาศและเวลา โดยที่เราสามารถระบุสถานะของอนุภาคหนึ่งๆ ได้ง่ายๆ โดยการวัดคู่ที่พัวพันกัน ไม่ว่าระยะห่างระหว่างพวกมันจะอยู่ที่ใดก็ตาม ตัวอย่างเช่น หากคุณทราบการหมุนของอนุภาคหนึ่ง คุณจะสามารถกำหนดการหมุนของอนุภาคอีกตัวหนึ่งได้เสมอ เป็นไปได้ไหมว่านี่คือการเชื่อมต่อควอนตัมเชิงลึกระหว่างอนุภาคพื้นฐานที่เชื่อมโยงอวกาศและเวลาเข้าด้วยกัน
แต่ท้ายที่สุดแล้วเรากำลังมองหาอะไร และอวกาศ-เวลาควอนตัมจะเป็นอย่างไร? อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ขับไล่กฎแรงโน้มถ่วงสากลของไอแซก นิวตันด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ของเขา โดยอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงเป็นคุณสมบัติทางเรขาคณิตของอวกาศ-เวลา โดยที่พลังงานและโมเมนตัมของสสารและการแผ่รังสีจะกำหนดความโค้งของอวกาศ-เวลาโดยตรง แต่ GR ก็ถูกสร้างขึ้นภายในขอบเขตของฟิสิกส์คลาสสิกเช่นกัน ในความพยายามที่จะรวมกลศาสตร์ควอนตัมและแรงโน้มถ่วงเข้าด้วยกัน นักวิจัยได้ค้นหาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่สอดคล้องกันมานานแล้ว วิธีแก้ปัญหาที่น่าดึงดูดประการหนึ่งมีรากฐานมาจากแนวคิดข้างต้นที่ว่า บางทีโครงสร้างของกาล-อวกาศอาจเป็นคุณสมบัติที่ปรากฏของการพัวพันควอนตัมบางประเภท สิ่งหนึ่งที่ทำให้สมการสนามสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์พอใจในท้ายที่สุด
“มันไม่รู้สึกเหมือนมีเวทย์มนตร์เหรอ?” ฉันถามพ่อแม่ของฉัน ความเงียบงันของพวกเขาไม่สั่นคลอนความกระตือรือร้นของฉัน หลังจากที่ฉันวางสายและกลับมาที่โต๊ะ ฉันนึกภาพตัวเองเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีรุ่นบุกเบิก ฮวน มัลดาเซนา และเจอราร์ด 'ต ฮูฟต์ คิดย้อนกลับไปเมื่อพวกเขาอยู่บนหน้าผาของการค้นพบที่เริ่มให้ความกระจ่างเกี่ยวกับการเชื่อมโยงระหว่างโลกควอนตัมและ อวกาศ-เวลา
[ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ที่แสดงด้านล่างจะเป็นเรื่องจริง แต่สถานการณ์และคำพูดเป็นเพียงเรื่องสมมติ ผู้เขียนจินตนาการขึ้นเพื่อจุดประสงค์ในบทความนี้]
การสร้างอวกาศควอนตัม-เวลา
แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่กำหนดว่าวัตถุมีปฏิสัมพันธ์กันในวงกว้างอย่างไร ในส่วนปลายที่เล็กกว่ามาก โดยที่แรงโน้มถ่วงมีผลกระทบน้อยมาก อนุภาคพื้นฐานที่ประกอบเป็นทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลของเรา และปฏิสัมพันธ์ของพวกมันถูกกำหนดโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม
ทฤษฎีสนามควอนตัมเป็นกรอบงานที่ผสมผสานทฤษฎีสนามแบบคลาสสิก (ซึ่งบอกเราว่าอนุภาคพื้นฐานและสนามมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร) ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (ซึ่งทำให้เรามีความเท่าเทียมกันระหว่างอวกาศและเวลา) และกลศาสตร์ควอนตัม ใช้ได้กับแรงพื้นฐานสามในสี่แรงในจักรวาล ได้แก่ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงแรงและแรงอ่อน แต่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วง
น่าเสียดายที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ซึ่งอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงและอวกาศและเวลาทำงานในจักรวาลของเรานั้นเข้ากันไม่ได้กับกลศาสตร์ควอนตัม แท้จริงแล้ว GR บอกว่าอวกาศและเวลามีความต่อเนื่อง ในขณะที่กลศาสตร์ควอนตัมกำหนดว่าทุกสิ่งอยู่ในกลุ่มสสารและพลังงานที่แยกออกมาเป็นปริมาณ
เพื่อรวมแรงโน้มถ่วงและกลศาสตร์ควอนตัมเข้าด้วยกัน นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ได้ทำงานเพื่อพัฒนาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมมาเป็นเวลานาน ในความพยายามที่จะแสดงให้เห็นว่าพื้นที่ของอวกาศ-เวลาที่มีแรงโน้มถ่วงสามารถได้รับมาจากทฤษฎีควอนตัมล้วนๆ ได้อย่างไร ในปี 1997 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอาร์เจนติน่า ฮวน มัลดาเซนา ได้เสนอการเชื่อมโยงที่คาดเดาได้ระหว่างทฤษฎีฟิสิกส์สองทฤษฎี ซึ่งเขาเรียกว่าพื้นที่ต่อต้านเดอซิตเตอร์/ การติดต่อตามทฤษฎีสนามความสอดคล้อง (AdS/CFT)
ในด้านหนึ่งคือ anti-de Sitter spaces (AdS) ซึ่งเป็นเรขาคณิตประเภทหนึ่งของอวกาศและเวลาที่ใช้ในทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมและได้รับการกำหนดขึ้นในแง่ของทฤษฎีสตริง ในทางกลับกัน คือทฤษฎีสนามคอนฟอร์มอล (CFT) ซึ่งเป็นทฤษฎีสนามควอนตัมเวอร์ชันพิเศษที่ไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลงโครงสร้าง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้มุมและความเร็วของกาล-อวกาศยังคงอยู่และไม่เปลี่ยนแปลง แม้ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงมาตราส่วนก็ตาม น่าเสียดายที่สิ่งนี้ไม่ถือเป็นจริงสำหรับพลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัมที่เราสังเกตเห็นในจักรวาลของเรา เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในระดับจะส่งผลกระทบต่อประจุและพลังงานของอนุภาคและสนามพื้นฐาน ซึ่งหมายความว่าสนามควอนตัมที่เราสังเกตในความเป็นจริงของเราจะไม่ถูกอธิบายโดยสนามที่มีโครงสร้าง ทฤษฎี
การติดต่อสื่อสาร AdS/CFT ของ Maldacena ยืนยันว่าทฤษฎีทั้งสองนี้ให้คำอธิบายที่แตกต่างกันสองประการเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เหมือนกัน ในจักรวาลที่เขาเสนอ AdS คือขอบเขตอวกาศและเวลาที่เกิดขึ้นจาก CFT ซึ่งเป็นขอบเขตไร้แรงโน้มถ่วงของจักรวาลโฮโลแกรมนี้เหมือนกับโฮโลแกรม แท้จริงแล้ว โฆษณา 3 มิติมีแรงโน้มถ่วงและมีความโค้งในเชิงลบ (ลองนึกภาพรูปทรงอาน) ซึ่งทำให้มีขอบเขตได้ นั่นคือ 2D CFT ซึ่งไม่รวมแรงโน้มถ่วง
ขอบเขตมิติด้านล่างคือสิ่งที่ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า "หลักการโฮโลแกรม" หรือความเป็นคู่ ซึ่งทำให้เรามองระบบเดียวกันได้สองวิธี เหมือนกับในโฮโลแกรมที่ข้อมูล 3 มิติทั้งหมดถูกเก็บไว้บนพื้นผิว 2 มิติ . เนื่องจาก CFT มีมิติน้อยกว่าพื้นที่โฆษณาหนึ่งมิติ คุณจึงนึกภาพเป็นพื้นผิว 2 มิติของทรงกระบอก 3 มิติได้ ซึ่งเป็นที่ที่กลศาสตร์ควอนตัมที่เล่นบนพื้นผิวจะรวมข้อมูลทั้งหมดของกลุ่มไว้ด้วย และเมื่อมันเกิดขึ้น มันเป็นการพัวพันของควอนตัมในขอบเขตที่ก่อให้เกิดเรขาคณิตอวกาศ-เวลาเป็นกลุ่ม
มกราคม 1998 Juan Maldacena ในห้องนั่งเล่นของบ้านใกล้มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด สหรัฐอเมริกา
หลังจากเหน็ดเหนื่อยจากการทำงานมาทั้งวัน คุณ (ฮวนมัลดาเซนา) กลับถึงบ้านและพบลูกสาววัยสองขวบของคุณในห้องนั่งเล่นที่รายล้อมไปด้วยของเล่นของเธอ ซึ่งเป็นสิ่งของในชีวิตประจำวันขนาดจิ๋ว คุณเพิ่งตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับวิธีที่เรขาคณิตของอวกาศ-เวลา (“จักรวาลของเล่น”) สามารถพบว่ามีความสอดคล้องบางประการกับทฤษฎีควอนตัมประเภทหนึ่งที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง (รู้จักกันในชื่อทฤษฎีสนามแบบ Conformal Field Theory หรือ CFT) และเช่นเดียวกับที่ของเล่นของลูกสาวคุณเป็นตัวแทนของความเป็นจริงในเวอร์ชันที่จัดการได้ง่ายกว่ามาก จักรวาลเวอร์ชันที่เรียบง่ายของเราก็ทำให้ปัญหาในการทำความเข้าใจต้นกำเนิดของอวกาศและเวลาเข้าถึงได้ง่ายขึ้นมาก
ด้วยความสนใจในความสมมาตรที่สวยงามนี้ คุณจึงเริ่มอธิบายให้ลูกสาวฟังว่าของเล่นของเธอเหมือนกับพื้นที่ anti-de Sitter (AdS) ซึ่งเป็นอวกาศ-เวลาหลายมิติที่มีแรงโน้มถ่วงที่ใช้ในทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมตามทฤษฎีสตริง แท้จริงแล้ว AdS เป็นเรขาคณิตทางเลือกของอวกาศและเวลาที่ใช้มากที่สุดในการศึกษาเรื่องนี้นับตั้งแต่คุณค้นพบการโต้ตอบของ AdS/CFT (ดูกล่องด้านบน)
ด้วยการวิเคราะห์ความเป็นคู่ระหว่างเรขาคณิตอวกาศและเวลาที่เฉพาะเจาะจง (จัดการได้ง่ายกว่าจักรวาลจริงของเรา) และกลศาสตร์ควอนตัม เรามีจุดเริ่มต้นที่ถูกต้องในการตอบคำถามพื้นฐานที่สุดของฟิสิกส์: ในที่สุดอวกาศและเวลาถูกสร้างขึ้นจากอะไร
เด็กที่งุนงงของคุณมองดูในขณะที่คุณอธิบายว่าแม้ว่าจักรวาล AdS จะโค้งงอในเชิงลบและพังทลายลงในตัวเอง เมื่อเทียบกับจักรวาลที่โค้งในเชิงบวกและขยายตัวของเรา แต่จักรวาลที่เรียบง่ายเหล่านี้สามารถช่วยได้มหาศาลเมื่อศึกษาฟิสิกส์เบื้องหลังการพันกันของควอนตัม การถักทออวกาศ-เวลา “การแก้ปัญหาที่ท้าทายจะง่ายกว่ามากเมื่อคุณสามารถแบ่งปัญหาออกเป็นส่วนเล็กๆ ที่ไม่ท้าทายมากนัก” คุณประกาศอย่างจริงจัง
อย่างไรก็ตาม ยังคงมีสิ่งกีดขวางทางแนวคิดขนาดใหญ่ นั่นคือคณิตศาสตร์ของฟิสิกส์ควอนตัมทำงานในสามมิติ ในขณะที่อวกาศและเวลาคิดเป็นสี่มิติ โชคดีที่ลูกสาวของคุณไม่ต้องกังวลมากนัก เนื่องจากมีนักทฤษฎีอีกคนที่รับผิดชอบเรื่องนี้อยู่แล้ว
1994, Gerard 't Hooft ในโรงละครบรรยายที่มหาวิทยาลัย Utrecht ประเทศเนเธอร์แลนด์
คุณ (เจอราร์ด 't Hooft) อยู่ในการบรรยายระดับปริญญาตรีปกติของคุณ ซึ่งรายล้อมไปด้วยนักเรียนที่กระตือรือร้นซึ่งต้องการให้คุณอธิบายแนวคิดที่คุณแนะนำสู่ชุมชนวิทยาศาสตร์เมื่อปีที่แล้วให้พวกเขาฟัง: หลักการโฮโลแกรม หลักการโฮโลแกรมได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้แก้ปัญหาสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อแรงโน้มถ่วง กลศาสตร์ควอนตัม และกฎของอุณหพลศาสตร์ปะทะกันอย่างแท้จริงที่ขอบเขตเหตุการณ์ของหลุมดำ โดยเสนอว่าสามารถฉายอวกาศ-เวลา 4 มิติลงบนพื้นผิว 3 มิติที่แสดงโดยกลศาสตร์ควอนตัมได้ เช่นเดียวกับที่อาร์เรย์ 2 มิติของพิกเซลบนทีวีแสดงภาพ 3 มิติ "โฮโลแกรม" นี้ก็สามารถอธิบายอวกาศและเวลาได้ในมิติที่น้อยกว่าเพียงมิติเดียว
หลักการโฮโลแกรมแสดงให้เห็นว่าพื้นที่ 3 มิติสามารถถูกร้อยเรียงโดยช่องต่างๆ ซึ่งเมื่อจัดโครงสร้างอย่างถูกต้องแล้ว จะสร้างมิติที่สี่เพิ่มเติมขึ้นมา ซึ่งทำให้เกิดอวกาศและเวลา โฮโลแกรมมิติด้านล่าง (คำอธิบายควอนตัม 3 มิติ) จะทำหน้าที่เป็นขอบเขตของพื้นที่ขนาดใหญ่ 4 มิติ ซึ่งสร้างขึ้นเนื่องจากการพันกันบนขอบเขตนี้ (รูปที่ 1) ในฐานะนักทฤษฎีของสหรัฐอเมริกา เท็ด เจค็อบสัน ยืนยันในภายหลังในปี พ.ศ. 1995 ว่าการพัวพันกันมากขึ้นหมายความว่าบางส่วนของโฮโลแกรมเชื่อมต่อกันแน่นขึ้น ทำให้การเปลี่ยนรูปของกาล-อวกาศทำได้ยากขึ้น และนำไปสู่แรงโน้มถ่วงที่อ่อนลงตามที่ไอน์สไตน์เข้าใจ
“แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราเอาสิ่งกีดขวางออกจากคำอธิบายทางกลควอนตัมที่เราเรียกว่า 'โฮโลแกรม' ในทางคณิตศาสตร์” คุณถามนักเรียนของคุณด้วยวาทศิลป์ “เราพบว่ากาลและเวลาแตกแยกกัน ตามความเป็นจริง ถ้าเรากำจัดสิ่งกีดขวางทั้งหมดออกไป เราก็จะไม่เหลือช่องว่างและเวลา”
ดูเหมือนนักเรียนของคุณจะไม่มั่นใจ ดังนั้นคุณจึงตัดสินใจไปไกลกว่านี้อีกเล็กน้อย โดยแนะนำแนวคิดเรื่องเอนโทรปีพัวพัน นี่คือการวัดปริมาณของสิ่งกีดขวางระหว่างสองระบบ และนักทฤษฎีสามารถเชื่อมโยงมันกับพื้นผิวของวัตถุส่วนใหญ่ได้โดยตรง โดยพบว่ามันเป็นสัดส่วนกับปริมาณของสิ่งกีดขวาง
แต่เพื่อให้สามารถเชื่อมโยงได้ คุณบอกว่าเราต้องพิจารณาความต่อเนื่องของความพัวพัน โดยละทิ้งแนวคิดเรื่องการเชื่อมต่อที่แยกจากกันไว้เบื้องหลัง เมื่อเราทำเช่นนี้และปล่อยให้สิ่งกีดขวางในโฮโลแกรมมีแนวโน้มเป็นศูนย์ พื้นที่ส่วนใหญ่ (ที่อวกาศและเวลาอาศัยอยู่) ก็จะหายไปเช่นกัน เช่นเดียวกับที่จะเกิดขึ้นถ้าเรานำด้ายออกจากผ้าผืนหนึ่ง (รูปที่ 2)
คุณหยุดชั่วคราวเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง โดยสบตานักเรียนที่กระตือรือร้นที่สุดของคุณทีละคน ก่อนที่คุณจะถามว่า “นี่ไม่ใช่ข้อโต้แย้งที่หนักแน่นที่สนับสนุนว่ากาล-อวกาศนั้นเป็นกลไกควอนตัมขั้นพื้นฐานอย่างแท้จริง ซึ่งถูกยึดไว้ด้วยกันโดยการพัวพันระหว่างส่วนต่างๆ ของ โฮโลแกรม?”
25 ธันวาคม 2021 Clara Aldegunde ในห้องอาหารของบ้านครอบครัวของเธอ
“ในที่สุดก็สมควรได้พัก” ฉันคิดว่าระหว่างรับประทานอาหารค่ำคริสต์มาสกับครอบครัว เมื่อฉันได้ยินพ่อบรรยายบทความของฉันว่าเป็น "ปฏิสัมพันธ์บางอย่างระหว่างอนุภาคที่ใครจะรู้ จะก่อให้เกิดอวกาศและเวลา" ทันใดนั้น ฉันรู้สึกว่าจำเป็นต้องทำให้ทั้งครอบครัวเข้าใจว่าสมมติฐานนี้มีความสำคัญเพียงใดสำหรับฟิสิกส์ยุคใหม่ ด้วยแรงผลักดันจากความหลงใหลและความรู้ล่าสุดทั้งหมดที่ฉันได้ซึมซับ ฉันจึงตัดสินใจอธิบายแนวคิดเหล่านี้ให้พวกเขาฟังอีกครั้งโดยแนะนำแนวคิดของควอนตัมบิตหรือคิวบิต
ควิบิตคือระบบควอนตัมที่มีสถานะที่เป็นไปได้สองสถานะ (หรือมากกว่า) ในขณะที่บิตคลาสสิกสามารถรับค่าเป็น 0 หรือ 1 ได้ แต่ qubits (ที่กำหนดลักษณะเฉพาะ เช่น โดยการหมุนของอนุภาคควอนตัม) จะมีคุณสมบัติควอนตัมและสามารถมีอยู่ในการซ้อนทับของสถานะได้ และหากคิวบิตเหล่านี้พันกัน การรู้สถานะของคิวบิตตัวใดตัวหนึ่งก็หมายถึงการรู้สถานะของอีกตัวหนึ่ง ซึ่งเป็นแนวคิดที่สามารถขยายไปสู่กลุ่มคิวบิตจำนวนเท่าใดก็ได้ได้อย่างง่ายดาย
การพัวพันแต่ละควิบิตกับเพื่อนบ้านจะทำให้เกิดเครือข่าย 2D ที่พันกันโดยสิ้นเชิง และการพันสองเครือข่ายดังกล่าวจะส่งผลให้เกิดเรขาคณิต 3 มิติ จากนั้นฉันก็ตระหนักว่าสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับแนวคิดของ 't Hooft' เนื่องจากคิวบิตที่พันกันทำให้เกิดมิติอื่นที่เกินกว่าจำนวนมิติที่เกิดขึ้นในการอธิบายการมีอยู่ของมิติจำนวนมากและขอบเขตที่แนะนำโดยหลักการโฮโลแกรม
“แต่หากจุดที่ห่างไกลสองแห่งของโฮโลแกรมพันกันจนกลายเป็นมวลอวกาศและเวลาในระหว่างนั้น และข้อมูลกำลังเดินทางจากอนุภาคควอนตัมหนึ่งไปยังอีกอนุภาคหนึ่งทันที นี่ไม่ได้หมายความว่าจะแซงหน้าความเร็วแสงหรอกหรือ?” ถามป้าของฉันที่ทำตามคำอธิบายของฉันด้วยความยินดี
ในความเป็นจริง ปัญหาเชิงแนวคิดนี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการโต้แย้งว่าอนุภาคที่พันกันไม่จำเป็นต้องครอบคลุมพื้นที่ที่แยกพวกมันออกจากกัน ความเร็วแสงยังคงเป็นขีดจำกัดทางกายภาพได้ ตราบใดที่เราเข้าใจว่าสิ่งพัวพันไม่ได้เกิดขึ้นในอวกาศ-เวลา มันจะสร้างอวกาศ-เวลาขึ้นมา เช่นเดียวกับหินหรือส้มที่ประกอบด้วยอะตอมแต่ไม่ได้แสดงคุณสมบัติของฟิสิกส์ของอะตอม ดังนั้นองค์ประกอบในการสร้างพื้นที่จึงไม่จำเป็นต้องเป็นเชิงพื้นที่ แต่จะมีคุณสมบัติเชิงพื้นที่เมื่อรวมกันอย่างถูกต้อง
นอกจากป้าของฉันแล้ว ครอบครัวส่วนใหญ่ของฉันยังดูสับสนและไม่ประทับใจกับการเปิดเผยของฉัน แต่ฉันรู้ว่าการสนทนานี้ได้กระจ่างความคิดหลายอย่างในใจของฉัน ขณะที่ฉันตระหนักได้ว่ากลศาสตร์ควอนตัมกลายเป็นเรขาคณิตที่สามารถเปรียบเทียบกับอวกาศและเวลาได้อย่างไร
ในช่วงวันหยุด ฉันอยากกลับไปค้นคว้าเกี่ยวกับการพยายามค้นหาต้นกำเนิดของอวกาศและเวลา ฉันหยุดพักจากงานฉลองของครอบครัวและหาห้องเงียบๆ เพื่อคิดถึงศาสตราจารย์โมนิกา ชไลเออร์-สมิธจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ซึ่งทีมงานของเขากำลังทำงานเกี่ยวกับระบบควอนตัมที่พันธนาการด้วยวิศวกรรมย้อนกลับที่พันกันอย่างมากในห้องทดลองของพวกเขา เพื่อดูว่ามีอวกาศและเวลาเกิดขึ้นหรือไม่ . ฉันไตร่ตรองว่าในปี 2017 Brian Swingle นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Brandeis ได้ข้อสรุปว่า "เรขาคณิตที่มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่สร้างขึ้นจากการพันกันจะต้องเป็นไปตามสมการแรงโน้มถ่วงของการเคลื่อนที่" (อันนู. รายได้ Condens สสาร สสาร. 9 345).
2015 Monika Schleier-Smith ตอบกลับอีเมลของ Brian Swingle จากสำนักงานของเธอที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด สหรัฐอเมริกา
“ครับ ศาสตราจารย์สวิงเกิล ฉันสามารถย้อนเวลาในห้องทดลองของฉันได้” คุณ (โมนิกา ชไลเออร์-สมิธ) พูดเพื่อตอบคำถามที่เฉพาะเจาะจงมากจาก ไบรอัน สวิงเกิล. ในห้องปฏิบัติการของคุณ คุณกำลังพยายามควบคุมการพันกันระหว่างอะตอมอย่างแม่นยำจนสามารถย้อนกลับปฏิกิริยาระหว่างอะตอมได้ ด้วยความหวังว่าคุณจะสามารถสร้างอวกาศและเวลาในห้องทดลองของคุณได้
แบบจำลอง CFT ทางทฤษฎีมักจะซับซ้อนเกินกว่าจะจัดการกับเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่มีอยู่ได้ ดังนั้นการพยายามค้นหาแรงโน้มถ่วง (AdS) แบบคู่ในห้องแล็บอาจเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า ซึ่งอาจนำไปสู่การค้นพบระบบที่ง่ายกว่าระบบที่กำลังศึกษาในทางทฤษฎี
เพื่อให้สามารถทดลองทดสอบสมมติฐานเกี่ยวกับต้นกำเนิดของอวกาศ-เวลาได้ คุณจึงตัดสินใจแก้ไขปัญหานี้ด้วยวิธีอื่น แทนที่จะเริ่มต้นจากจักรวาลของเราและพยายามอธิบายมันผ่านการคำนวณควอนตัม คุณจะศึกษาว่าการควบคุมการพันกันของควอนตัมอาจสร้างอะนาล็อกเรขาคณิตอวกาศและเวลาที่เป็นไปตามสมการสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้อย่างไร
เรขาคณิตพัวพันที่ต้องการจะสร้างโครงสร้างคล้ายต้นไม้ โดยที่อะตอมที่พันกันแต่ละคู่จะพันกันกับอีกคู่หนึ่ง แนวคิดก็คือความพัวพันในระดับต่ำของแต่ละบุคคลนั้นถูกสร้างขึ้นในระบบที่พัวพันโดยสมบูรณ์ การเชื่อมต่อโครงสร้างต่างๆ ในลักษณะนี้ทำให้เกิดมวลอวกาศและเวลา เนื่องจากมีการเชื่อมต่อเป็นวงกลมระหว่างส่วนต่างๆ ของพื้นผิว CFT
กุญแจสำคัญในการสังเกตกาล-อวกาศที่เกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการคือการดักจับอะตอมด้วยแสงเพื่อทำให้เกิดการพันกัน แล้วควบคุมพวกมันโดยใช้สนามแม่เหล็ก เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ห้องปฏิบัติการของคุณเต็มไปด้วยกระจก ไฟเบอร์ออปติก และเลนส์รอบๆ ห้องสุญญากาศที่ประกอบด้วยอะตอมของรูบิเดียม ซึ่งเย็นลงจนเหลือเศษส่วนขององศาเหนือศูนย์เคลวิน จากนั้นสิ่งกีดขวางจะถูกควบคุมโดยใช้เลเซอร์และสนามแม่เหล็กที่ได้รับการปรับแต่งเป็นพิเศษ ทำให้คุณสามารถเลือกอะตอมที่จะพันกัน
การตั้งค่านี้ดูเหมือนว่าจะสร้างโฮโลแกรมในห้องปฏิบัติการ คุณสามารถย้อนเวลาในระดับควอนตัมได้ คุณตระหนักถึงความยิ่งใหญ่ของการค้นพบนี้ โดยจะให้การสนับสนุนเชิงทดลองกับงานทางทฤษฎีของ Swingle และที่สำคัญที่สุดคือช่วยให้ชุมชนวิทยาศาสตร์สามารถทดสอบความเชื่อมโยงระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและแรงโน้มถ่วง ทำให้เราเข้าใกล้การหลอมรวมฟิสิกส์สมัยใหม่ขึ้นอีกก้าวหนึ่ง
9 มกราคม 2022, 23:00 น., Clara Aldegunde ในการศึกษาของเธอที่ Imperial College London, UK
หลังจากค้นคว้า ค้นพบ และเรียนรู้มาเกือบสองเดือน ในที่สุดฉันก็ได้ส่งบทความของฉันไปแล้ว การสรุปงานนี้ทำให้ฉันมีคำตอบสำหรับคำถามที่ฉันไม่เคยคิดมาก่อน ที่สำคัญกว่านั้นทำให้ฉันมีคำถามอีกหลายร้อยข้อ
กระทู้นี้ที่ฉันกำลังติดตามกำลังนำเราไปสู่แรงโน้มถ่วงควอนตัมและทฤษฎีของทุกสิ่ง ซึ่งเป็นเป้าหมายสูงสุดของนักฟิสิกส์หรือไม่? กล่าวคือ แบบจำลองควอนตัมนี้จะสามารถรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมเข้าไว้ด้วยกันภายใต้คำอธิบายเดียวที่ไม่เหมือนใคร ทำให้เกิดทฤษฎีเดียวที่สามารถอธิบายจักรวาลทั้งหมดของเราได้หรือไม่
กระทู้นี้ที่ฉันกำลังติดตามนำเราไปสู่แรงโน้มถ่วงควอนตัมและทฤษฎีของทุกสิ่งหรือไม่?
ชุมชนวิทยาศาสตร์สนับสนุนแนวคิดนี้อย่างยิ่ง และนักฟิสิกส์จำนวนมากทั่วโลกกำลังดำเนินการอยู่ในขณะนี้ โดยคาดหวังอย่างแน่วแน่ว่าจะมีเบาะแสเกี่ยวกับทฤษฎีการรวมเป็นหนึ่ง ขณะที่ฉันเขียนในรายงานที่เพิ่งเขียนเสร็จเมื่อเร็วๆ นี้ การทำความเข้าใจความพัวพันในฐานะโครงสร้างทางเรขาคณิตจะช่วยให้เราเปรียบเทียบมันกับแรงโน้มถ่วง และตรวจสอบความสอดคล้องกับสมการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ได้ จึงเป็นการแก้ปัญหาข้อกังขาที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งของฟิสิกส์ยุคใหม่
อย่างไรก็ตาม ฉันรู้สึกเหมือนต้องตั้งสมมติฐานมากเกินไปเพื่อเชื่อมโยงการพันกันของควอนตัมเข้ากับการก่อตัวของโครงสร้างของกาล-อวกาศ ฉันกำลังขาดอะไรไป และสิ่งที่ฉันควรมุ่งเน้นเมื่อเริ่มต้นอาชีพการวิจัย?
ดังที่ฉันเห็น ปัญหาแรกที่ต้องจัดการคือการอธิบายความยุ่งเหยิงว่าเป็นเวอร์ชันต่อเนื่องของเมตริกเทนเซอร์แบบแยกส่วนใน GR ซึ่งเก็บข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับโครงสร้างทางเรขาคณิตของกาล-อวกาศ เมื่อเสร็จแล้ว ก็จะได้สมการของไอน์สไตน์สำหรับแบบจำลองกาล-อวกาศ โดยอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นจากการพันกันของพื้นที่โฆษณาแบบง่ายได้อย่างไร ปัญหาสำคัญอีกประการหนึ่งของจักรวาล AdS ก็คือรูปทรงเรขาคณิตที่พังทลายลงนั้นดูไม่เหมือนจักรวาลที่กำลังขยายตัวของเรา และควรมีการปรับเปลี่ยนหลายประการเพื่อขยายการค้นพบเหล่านี้ให้กว้างขึ้นสู่ความเป็นจริงของเรา
แม้จะมีคำถามและข้อกังวลที่เปิดกว้างเหล่านี้ แต่จักรวาลของเล่นนี้ได้ให้ทั้งข้อมูลเชิงลึกทางทฤษฎีที่สำคัญและความสามารถในการคาดการณ์บางอย่าง ตัวอย่างเช่น ปริมาณและพื้นที่ปรับขนาดในลักษณะเดียวกันใน AdS และในจักรวาลของเรา
มีอะไรอีกที่สามารถทำได้เพื่อให้ความกระจ่างเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งกีดขวางกับอวกาศและเวลา? แนวคิดหนึ่งคือการตรวจสอบโครงสร้างอวกาศ-เวลาที่ซับซ้อนมากขึ้น ทั้งทางคณิตศาสตร์ (ด้วยเครือข่ายเทนเซอร์ที่เป็นตัวแทนของหลุมดำ เป็นต้น) หรือในเชิงทดลอง (เนื่องจากชไลเออร์-สมิธเพิ่งสร้างโครงสร้างอวกาศ-เวลาแบบง่าย ๆ เท่านั้น)
ฉันจำคำกล่าวปิดท้ายในรายงานของสวิงเกิลได้: “ที่น่าสนใจคือ ภายใน [ของหลุมดำ] ยังคงขยายตัวต่อไปอีกนานหลังจากที่เอนโทรปีของสิ่งพัวพันทั้งหมดสมดุลกัน ซึ่งเป็นข้อสังเกตที่ชี้ให้เห็นว่า 'การพัวพันยังไม่เพียงพอ'”
หลังจากเตือนตัวเองถึงสิ่งที่ฉันได้เรียนรู้มาทั้งหมดแล้ว ฉันก็อดไม่ได้ที่จะรู้สึกเติมเต็มอย่างมาก ฉันปล่อยให้การนอนหลับพาฉันไป พอใจกับความรู้ที่ว่าการทำรายงานเสร็จไม่มีความหมายอะไรนอกจากการเริ่มต้นการเดินทางของฉันไปสู่การเปิดโปงวิธีที่จักรวาลเชื่อมโยงอวกาศและเวลาเข้าด้วยกัน
