นักฟิสิกส์ที่เดิมพันว่าแรงโน้มถ่วงไม่สามารถหาปริมาณได้ | นิตยสารควอนตั้ม

นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่คาดหวังว่าเมื่อเราซูมเข้าไปในโครงสร้างของความเป็นจริง ความแปลกประหลาดที่ไม่ได้ตั้งใจของกลศาสตร์ควอนตัมจะคงอยู่จนถึงสเกลที่เล็กที่สุด แต่ในการตั้งค่าเหล่านั้น กลศาสตร์ควอนตัมปะทะกับแรงโน้มถ่วงแบบคลาสสิกด้วยวิธีที่เข้ากันไม่ได้โดยสิ้นเชิง

ดังนั้น เป็นเวลาเกือบศตวรรษที่นักทฤษฎีพยายามสร้างทฤษฎีที่เป็นเอกภาพโดยการหาปริมาณแรงโน้มถ่วง หรือสร้างมันขึ้นมาตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม พวกเขายังไม่ประสบความสำเร็จ

โจนาธาน ออพเพนไฮม์ซึ่งดำเนินโครงการสำรวจทางเลือกหลังควอนตัมที่ University College London สงสัยว่าเป็นเพราะแรงโน้มถ่วงไม่สามารถบีบลงในกล่องควอนตัมได้ บางทีเขาอาจโต้แย้งว่าข้อสันนิษฐานของเราที่ว่าจะต้องวัดปริมาณนั้นผิด "มุมมองนั้นฝังแน่น" เขากล่าว “แต่ไม่มีใครรู้ว่าความจริงคืออะไร”

ทฤษฎีควอนตัมขึ้นอยู่กับความน่าจะเป็นมากกว่าความแน่นอน ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณวัดอนุภาคควอนตัม คุณจะไม่สามารถคาดเดาได้แน่ชัดว่าคุณจะพบอนุภาคนั้นที่ใด แต่คุณสามารถทำนายความเป็นไปได้ที่จะพบอนุภาคนั้นในสถานที่หนึ่งๆ ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งคุณแน่ใจเกี่ยวกับตำแหน่งของอนุภาคมากเท่าไหร่ คุณก็ยิ่งไม่แน่ใจเกี่ยวกับโมเมนตัมของมันมากขึ้นเท่านั้น ในช่วงศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ค่อยๆ ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอื่นๆ โดยใช้กรอบแนวคิดนี้ 

แต่เมื่อพวกเขาพยายามที่จะหาปริมาณแรงโน้มถ่วง พวกเขาพบกับความไม่สิ้นสุดที่ผิดธรรมชาติซึ่งต้องหลีกเลี่ยงด้วยกลอุบายทางคณิตศาสตร์ที่เงอะงะ

 ปัญหาเกิดขึ้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นผลจากกาลอวกาศเอง แทนที่จะเป็นการกระทำที่เหนือสิ่งอื่นใด ดังนั้น ถ้าแรงโน้มถ่วงถูกวัดเป็นปริมาณ นั่นหมายถึงกาลอวกาศก็จะถูกวัดด้วย แต่นั่นไม่ได้ผล เพราะทฤษฎีควอนตัมนั้นสมเหตุสมผลกับพื้นหลังกาลอวกาศแบบคลาสสิกเท่านั้น คุณไม่สามารถเพิ่มและพัฒนาสถานะควอนตัมบนพื้นฐานที่ไม่แน่นอนได้ 

เพื่อจัดการกับความขัดแย้งทางความคิดที่ลึกซึ้งนี้ นักทฤษฎีส่วนใหญ่หันไปหาทฤษฎีสตริง ซึ่งจินตนาการว่าสสารและกาลอวกาศเกิดขึ้นจากสตริงเล็กๆ ที่สั่นไหว กลุ่มที่เล็กกว่ามองหาการวนรอบแรงโน้มถ่วงควอนตัม ซึ่งแทนที่กาลอวกาศที่ราบรื่นของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ด้วยเครือข่ายของลูปที่เชื่อมต่อกัน ในทั้งสองทฤษฎี โลกคลาสสิกที่เราคุ้นเคยเกิดขึ้นจากองค์ประกอบพื้นฐานทางควอนตัมเหล่านี้ 

เดิมออพเพนไฮม์เป็นนักทฤษฎีสตริง และนักทฤษฎีสตริงเชื่อในความเป็นอันดับหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัม แต่ในไม่ช้าเขาก็รู้สึกไม่สบายใจกับการแสดงผาดโผนทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนซึ่งเพื่อนของเขาแสดงเพื่อจัดการกับหนึ่งในปัญหาที่โด่งดังที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่: ข้อมูลหลุมดำขัดแย้งกัน. 

ในปี 2017 Oppenheim เริ่มค้นหาทางเลือกอื่นที่หลีกเลี่ยงความขัดแย้งทางข้อมูลโดยยึดทั้งโลกควอนตัมและโลกคลาสสิกเป็นรากฐาน เขาสะดุดบางอย่างที่มองข้ามไป การวิจัย เกี่ยวกับควอนตัมคลาสสิก ทฤษฎีลูกผสม จากปี 1990 ซึ่งเขาเป็น การขยาย และ การสำรวจ ตั้งแต่เมื่อ. จากการศึกษาว่าโลกคลาสสิกและโลกควอนตัมสัมพันธ์กันอย่างไร ออพเพนไฮม์หวังว่าจะพบทฤษฎีที่ลึกซึ้งกว่านั้น ซึ่งไม่ใช่ทั้งควอนตัมหรือคลาสสิก แต่เป็นไฮบริดบางอย่าง “บ่อยครั้งเราใส่ไข่ทั้งหมดลงในตะกร้าไม่กี่ใบ เมื่อมีความเป็นไปได้มากมาย” เขากล่าว 

เพื่อให้ประเด็นของเขา Oppenheim เมื่อเร็ว ๆ นี้ วางเดิมพัน กับ เจฟฟ์ เพ็นิงตัน และ คาร์โล โรเวลลี่ - ผู้นำในสาขาต่างๆ ของทฤษฎีสตริงและแรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบวนซ้ำ อัตราต่อรอง? 5,000-ต่อ-1. หากลางสังหรณ์ของ Oppenheim ถูกต้องและกาล-อวกาศไม่ได้ถูกคำนวณ เขายืนหยัดที่จะชนะมันฝรั่งทอดกรอบพลาสติกสีสันสดใส ลูกบาซิงก้าหรือน้ำมันมะกอกสักช็อตตามจินตนาการของเขา - ตราบใดที่สินค้าแต่ละชิ้นมีราคาไม่เกิน 20 เพนนี (ประมาณ 25 เซ็นต์)

เราพบกันในร้านกาแฟทางตอนเหนือของลอนดอนซึ่งเรียงรายไปด้วยหนังสือ ซึ่งเขาคลายความกังวลเกี่ยวกับสถานะของแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่เป็นอยู่อย่างใจเย็นและยกย่องความงามอันน่าประหลาดใจของทางเลือกแบบผสมผสานเหล่านี้ “พวกเขาถามคำถามที่ละเอียดอ่อนอย่างน่าทึ่งทุกประเภท” เขากล่าว “ฉันแทบล้มทั้งยืนในการพยายามทำความเข้าใจระบบเหล่านี้” แต่เขาอดทน 

“ฉันต้องการบาซิงก้า 5,000 ลูก”

การสัมภาษณ์ได้รับการย่อและแก้ไขเพื่อความชัดเจน

เหตุใดนักทฤษฎีส่วนใหญ่จึงแน่ใจว่ากาลอวกาศถูกวัดปริมาณ

มันกลายเป็นความเชื่อ เขตข้อมูลอื่น ๆ ทั้งหมดในธรรมชาติจะถูกวัดปริมาณ มีความรู้สึกว่าไม่มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง - มันเป็นเพียงสนามเหมือนสนามอื่น ๆ - ดังนั้นเราควรหาปริมาณมัน

แรงโน้มถ่วงมีความพิเศษในมุมมองของคุณหรือไม่?

ใช่. นักฟิสิกส์นิยามแรงอื่นๆ ทั้งหมดในแง่ของสนามที่พัฒนาในกาลอวกาศ แรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียวบอกเราเกี่ยวกับรูปทรงเรขาคณิตและความโค้งของกาล-อวกาศ ไม่มีแรงอื่นใดอธิบายเรขาคณิตพื้นหลังสากลที่เราอาศัยอยู่เหมือนแรงโน้มถ่วง

ในขณะนี้ ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่ดีที่สุดของเราใช้โครงสร้างเบื้องหลังของกาล-อวกาศ ซึ่งแรงโน้มถ่วงกำหนด และถ้าคุณเชื่อจริง ๆ ว่าแรงโน้มถ่วงถูกวัดเป็นปริมาณ เราก็สูญเสียโครงสร้างพื้นหลังนั้นไป

คุณพบปัญหาประเภทใดหากแรงโน้มถ่วงเป็นแบบคลาสสิกและไม่ได้วัดปริมาณ

เป็นเวลานานแล้วที่ชุมชนเชื่อว่าเป็นไปไม่ได้ที่แรงโน้มถ่วงจะเป็นแบบคลาสสิกเพราะการเชื่อมโยงระบบควอนตัมกับระบบแบบคลาสสิกจะนำไปสู่ความไม่สอดคล้องกัน ในปี 1950 Richard Feynman จินตนาการถึงสถานการณ์ที่ชี้ให้เห็นถึงปัญหา: เขาเริ่มต้นด้วยอนุภาคขนาดใหญ่ที่อยู่ในตำแหน่งซ้อนกันสองแห่ง ตำแหน่งเหล่านี้อาจเป็นรูสองรูบนแผ่นโลหะ ดังเช่นในการทดลองกรีดสองครั้งที่มีชื่อเสียง ที่นี่อนุภาคยังทำตัวเหมือนคลื่น มันสร้างรูปแบบการแทรกสอดของแถบสีอ่อนและสีเข้มที่อีกด้านของรอยกรีด ซึ่งทำให้ไม่สามารถรู้ได้ว่ารอยกรีดนั้นผ่านช่องไหน ในบัญชีที่ได้รับความนิยม บางครั้งอนุภาคถูกอธิบายว่าต้องผ่านรอยแยกทั้งสองพร้อมกัน

แต่เนื่องจากอนุภาคมีมวล จึงสร้างสนามโน้มถ่วงที่เราสามารถวัดได้ และสนามโน้มถ่วงนั้นบอกตำแหน่งของมันให้เราทราบ ถ้าสนามโน้มถ่วงเป็นแบบคลาสสิก เราก็สามารถวัดมันได้อย่างแม่นยำไร้ขอบเขต อนุมานตำแหน่งของอนุภาค และกำหนดได้ว่าสนามใดผ่านช่องแคบ ดังนั้นเราจึงมีสถานการณ์ที่ขัดแย้งกัน รูปแบบการแทรกสอดบอกเราว่าเราไม่สามารถระบุได้ว่าช่องใดที่อนุภาคผ่าน แต่สนามโน้มถ่วงแบบคลาสสิกช่วยให้เราทำเช่นนั้นได้

แต่ถ้าสนามโน้มถ่วงเป็นแบบควอนตัม ก็ไม่มีอะไรขัดแย้งกัน — ความไม่แน่นอนคืบคลานเข้ามาเมื่อทำการวัดสนามโน้มถ่วง ดังนั้นเราจึงยังมีความไม่แน่นอนในการระบุตำแหน่งของอนุภาค

ดังนั้นหากแรงโน้มถ่วงมีพฤติกรรมแบบคลาสสิก คุณก็จะรู้มากเกินไป และนั่นหมายความว่าความคิดที่หวงแหนจากกลศาสตร์ควอนตัม เช่น การซ้อนทับ จะพังทลายลงหรือไม่

ใช่ สนามโน้มถ่วงรู้มากเกินไป แต่มีช่องโหว่ในการโต้เถียงของ Feynman ที่อาจทำให้แรงโน้มถ่วงแบบคลาสสิกทำงานได้

ช่องโหว่นั้นคืออะไร?

เรารู้เพียงว่าอนุภาคไปทางไหน เพราะมันสร้างสนามโน้มถ่วงที่แน่นอนซึ่งบิดงอกาลอวกาศและทำให้เราสามารถระบุตำแหน่งของอนุภาคได้ 

แต่ถ้าอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคกับกาลอวกาศนั้นสุ่ม — หรือคาดเดาไม่ได้ — อนุภาคเองก็ไม่ได้กำหนดสนามโน้มถ่วงอย่างสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าการวัดสนามโน้มถ่วงไม่ได้กำหนดเสมอไปว่าช่องใดที่อนุภาคผ่าน เพราะสนามโน้มถ่วงอาจอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งจากหลายสถานะ ความบังเอิญคืบคลานเข้ามา และคุณไม่มีความขัดแย้งอีกต่อไป

แล้วทำไมนักฟิสิกส์ถึงไม่คิดว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแบบคลาสสิก?

เป็นไปได้ในทางตรรกะที่จะมีทฤษฎีที่เราไม่ได้วัดจำนวนฟิลด์ทั้งหมด แต่สำหรับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบคลาสสิกเพื่อให้สอดคล้องกับสิ่งอื่นๆ ที่ถูกวัดปริมาณ แรงโน้มถ่วงจะต้องสุ่มโดยพื้นฐาน สำหรับนักฟิสิกส์จำนวนมากที่ยอมรับไม่ได้

ทำไม?

นักฟิสิกส์ใช้เวลามากมายในการพยายามค้นหาว่าธรรมชาติทำงานอย่างไร ดังนั้น ความคิดที่ว่ามีบางสิ่งที่คาดเดาไม่ได้โดยเนื้อแท้ในระดับลึกมากๆ จึงสร้างปัญหาให้กับหลายๆ คน

ผลลัพธ์ของการวัดภายในทฤษฎีควอนตัมดูเหมือนจะมีความน่าจะเป็น แต่นักฟิสิกส์หลายคนชอบคิดว่าสิ่งที่ดูเหมือนเป็นการสุ่มนั้นเป็นเพียงระบบควอนตัมและเครื่องมือวัดที่มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม พวกเขาไม่เห็นว่ามันเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของความเป็นจริง

คุณจะเสนออะไรแทน

การเดาที่ดีที่สุดของฉันคือทฤษฎีแรงโน้มถ่วงต่อไปจะเป็นสิ่งที่ไม่คลาสสิกหรือควอนตัมอย่างสมบูรณ์ แต่เป็นอย่างอื่นทั้งหมด

นักฟิสิกส์มักจะคิดแบบจำลองที่ใกล้เคียงกับธรรมชาติเท่านั้น แต่ด้วยความพยายามที่จะประมาณให้ใกล้เคียงยิ่งขึ้น นักเรียนของฉันและฉันได้สร้างทฤษฎีที่สอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์ ซึ่งระบบควอนตัมและกาลอวกาศแบบคลาสสิกมีปฏิสัมพันธ์กัน เราแค่ต้องแก้ไขทฤษฎีควอนตัมเล็กน้อยและแก้ไขทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแบบคลาสสิกเล็กน้อยเพื่อให้สามารถคาดการณ์รายละเอียดที่จำเป็นได้

ทำไมคุณถึงเริ่มทำงานกับทฤษฎีลูกผสมเหล่านี้

ฉันได้รับแรงบันดาลใจจากความขัดแย้งของข้อมูลหลุมดำ เมื่อคุณโยนอนุภาคควอนตัมเข้าไปในหลุมดำแล้วปล่อยให้หลุมดำนั้นระเหยไป คุณจะพบกับความขัดแย้งหากคุณเชื่อว่าหลุมดำเก็บรักษาข้อมูลไว้ ทฤษฎีควอนตัมมาตรฐานต้องการให้วัตถุใดๆ ก็ตามที่คุณโยนเข้าไปในหลุมดำนั้นจะถูกแผ่กลับออกมาในลักษณะที่มีสัญญาณรบกวนแต่สามารถจดจำได้ แต่นั่นละเมิดทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งบอกเราว่าคุณไม่สามารถรู้เกี่ยวกับวัตถุที่ข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำได้

แต่ถ้ากระบวนการระเหยของหลุมดำไม่สามารถกำหนดได้ ก็ไม่มีความขัดแย้ง เราไม่เคยเรียนรู้สิ่งที่ถูกโยนลงไปในหลุมดำเพราะการคาดเดาล้มเหลว ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีความปลอดภัย

ดังนั้น ความยุ่งเหยิงในทฤษฎีลูกผสมควอนตัมคลาสสิกเหล่านี้จึงทำให้ข้อมูลสูญหาย?

เผง 

แต่การอนุรักษ์ข้อมูลเป็นหลักการสำคัญในกลศาสตร์ควอนตัม การสูญเสียสิ่งนี้ไม่สามารถนั่งได้อย่างง่ายดายกับนักทฤษฎีหลายคน

นั่นเป็นเรื่องจริง มีการถกเถียงกันอย่างมากเกี่ยวกับเรื่องนี้ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา และเกือบทุกคนเชื่อว่าการระเหยของหลุมดำนั้นถูกกำหนดไว้แล้ว ฉันมักจะงงว่า

การทดลองจะแก้ปัญหาได้หรือไม่หากแรงโน้มถ่วงถูกวัดปริมาณหรือไม่?

ในบางจุด. เรายังแทบไม่รู้อะไรเลยเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงในระดับที่เล็กที่สุด มันไม่ได้ถูกทดสอบถึงระดับมิลลิเมตรด้วยซ้ำ ไม่ต้องพูดถึงขนาดของโปรตอน แต่มีการทดลองที่น่าตื่นเต้นทางออนไลน์ซึ่งจะทำเช่นนั้น

หนึ่งคือ รุ่นที่ทันสมัย ของ "การทดลองคาเวนดิช" ซึ่งคำนวณความแรงของแรงดึงดูดระหว่างทรงกลมตะกั่วสองลูก หากมีความสุ่มในสนามโน้มถ่วง เช่นเดียวกับลูกผสมควอนตัมคลาสสิกเหล่านี้ เมื่อเราลองวัดความแรงของมัน เราก็อาจไม่ได้คำตอบที่เหมือนกันเสมอไป สนามแรงโน้มถ่วงจะกระดุกกระดิกไปมา ทฤษฎีใด ๆ ที่แรงโน้มถ่วงเป็นแบบคลาสสิกโดยพื้นฐานแล้วจะมีสัญญาณรบกวนจากแรงโน้มถ่วงในระดับหนึ่ง

คุณรู้ได้อย่างไรว่าความบังเอิญนี้เกิดขึ้นจากสนามโน้มถ่วงและไม่ใช่เสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อม

คุณทำไม่ได้ แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนแอ แม้แต่การทดลองที่ดีที่สุดก็ยังมีอาการกระตุกอยู่ในตัว ดังนั้นคุณต้องกำจัดแหล่งที่มาของเสียงรบกวนอื่น ๆ เหล่านี้ให้ได้มากที่สุด สิ่งที่น่าตื่นเต้นคือนักเรียนของฉันและฉันแสดงให้เห็นว่าหากทฤษฎีลูกผสมเหล่านี้เป็นจริง จะต้องมีสัญญาณรบกวนจากแรงโน้มถ่วงในปริมาณที่น้อยที่สุด สามารถวัดได้โดยการศึกษาอะตอมทองคำในการทดลองแบบกรีดสองครั้ง การทดลองเหล่านี้มีขอบเขตอยู่แล้วว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแบบคลาสสิกโดยพื้นฐานหรือไม่ เรากำลังทยอยปิดตามจำนวนที่ไม่แน่นอนที่อนุญาต

ในอีกด้านหนึ่งของการเดิมพัน มีการทดลองใดที่จะพิสูจน์ว่าแรงโน้มถ่วงถูกวัดเป็นปริมาณหรือไม่?

มี การทดลองที่เสนอ ที่มองหาสิ่งกีดขวางโดยสนามโน้มถ่วง เนื่องจากความพัวพันเป็นปรากฏการณ์ควอนตัม นั่นจึงเป็นการทดสอบโดยตรงเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงของควอนตัม การทดลองเหล่านี้น่าตื่นเต้นมาก แต่คงอีกนานหลายสิบปี