Yerçekiminin Sayısallaştırılamayacağına Bahse Giren Fizikçi | Quanta Dergisi

Çoğu fizikçi, gerçekliğin dokusuna yakınlaştığımızda, kuantum mekaniğinin sezgisel olmayan tuhaflığının en küçük ölçeklere kadar devam etmesini bekler. Ancak bu ortamlarda kuantum mekaniği, klasik yerçekimi ile kesinlikle uyumsuz bir şekilde çarpışır.

Yani neredeyse bir yüzyıldır teorisyenler yerçekimini niceleyerek veya onu kuantum mekaniğinin kurallarına göre şekillendirerek birleşik bir teori yaratmaya çalıştılar. Hala başaramadılar.

Jonathan OppenheimUniversity College London'da kuantum sonrası alternatifleri araştıran bir program yürüten Dr. Belki de nicelleştirilmesi gerektiği varsayımımızın yanlış olduğunu savunuyor. “Bu görüş kökleşmiş” dedi. "Ama kimse gerçeğin ne olduğunu bilmiyor."

Kuantum teorileri kesinliklerden çok olasılıklara dayalıdır. Örneğin, bir kuantum parçacığını ölçtüğünüzde, onu tam olarak nerede bulacağınızı tahmin edemezsiniz, ancak belirli bir yerde bulunma olasılığını tahmin edebilirsiniz. Dahası, bir parçacığın konumundan ne kadar eminseniz, momentumundan o kadar az eminsiniz. 20. yüzyıl boyunca, fizikçiler yavaş yavaş bu çerçeveyi kullanarak elektromanyetizmayı ve diğer kuvvetleri anlamlandırdılar. 

Ancak yerçekimini nicelleştirmeye çalıştıklarında, beceriksiz matematiksel hilelerle atlatılması gereken doğal olmayan sonsuzluklarla karşılaştılar.

 Sorunlar ortaya çıkıyor çünkü yerçekimi, üzerinde hareket eden bir şey değil, uzay-zamanın kendisinin bir sonucudur. Dolayısıyla, yerçekimi nicemlenirse, bu, uzay-zamanın da nicelleştiği anlamına gelir. Ancak bu işe yaramaz, çünkü kuantum teorisi yalnızca klasik bir uzay-zaman arka planına karşı mantıklıdır - belirsiz bir temel üzerine kuantum durumları ekleyemez ve sonra geliştiremezsiniz. 

Bu derin kavramsal çatışmayla başa çıkmak için çoğu teorisyen madde ve uzay-zamanın titreşen küçük sicimlerden ortaya çıktığını hayal eden sicim teorisine yöneldi. Daha küçük bir grup, Einstein'ın genel göreliliğinin yumuşak uzay-zamanını birbirine kenetlenmiş döngülerden oluşan bir ağla değiştiren kuantum yerçekimini döngüye sokmaya çalıştı. Her iki teoride de, tanıdık, klasik dünyamız bir şekilde bu temelde kuantum yapı taşlarından ortaya çıkıyor. 

Oppenheim aslen bir sicim teorisyeniydi ve sicim teorisyenleri kuantum mekaniğinin önceliğine inanıyor. Ancak kısa süre sonra, meslektaşlarının modern fiziğin en kötü şöhretli problemlerinden birini çözmek için yaptığı ayrıntılı matematiksel akrobasiden rahatsız oldu: kara delik bilgi paradoksu. 

2017'de Oppenheim, hem kuantum hem de klasik dünyaları temel alarak bilgi paradoksundan kaçınan alternatifler aramaya başladı. Gözden kaçan bazılarına rastladı araştırma kuantum-klasik üzerine hibrit teoriler olduğu 1990'lardan itibaren uzatma ve keşfetmek o zamandan beri. Oppenheim, klasik ve kuantum dünyalarının birbiriyle nasıl ilişkili olduğunu inceleyerek, ne kuantum ne de klasik olan, ancak bir tür melez olan daha derin bir teori bulmayı umuyor. "Genellikle, birçok olasılık olduğunda, tüm yumurtalarımızı birkaç sepete koyarız" dedi. 

Demek istediğini belirtmek için, Oppenheim geçenlerde bahse girdik ile Geoff Penington ve Carlo Rovelli - kendi sicim teorisi ve döngü kuantum yerçekimi alanlarında liderler. oranlar? 5,000'e 1. Oppenheim'ın önsezisi doğruysa ve uzay-zaman sayısallaştırılmamışsa, kovalar dolusu patates cipsi, renkli plastik kazanmaya hazır. bazinga topları, ya da hayal gücüne göre zeytinyağı - her bir öğenin maliyeti en fazla 20 peni (yaklaşık 25 sent) olduğu sürece.

Londra'nın kuzeyinde, kitaplarla dolu bir kafede buluştuk, burada kuantum yerçekimi statükosuna ilişkin endişelerini sakince ortaya koydu ve bu hibrit alternatiflerin şaşırtıcı güzelliğini övdü. "Oldukça incelikli her türlü soruyu gündeme getiriyorlar," dedi. "Bu sistemleri anlamaya çalışırken gerçekten ayaklarım tutuldu." Ama sebat ediyor. 

"5,000 bazinga topumu istiyorum."

Röportaj, netlik için kısaltılmış ve düzenlenmiştir.

Çoğu teorisyen uzay-zamanın nicelleştirildiğinden neden bu kadar emin?

Bu bir dogma haline geldi. Doğadaki diğer tüm alanlar nicelleştirilmiştir. Yerçekimi hakkında özel bir şey olmadığına dair bir his var - o sadece diğerleri gibi bir alan - ve bu nedenle onu nicelememiz gerekiyor.

Yerçekimi size göre özel mi?

Evet. Fizikçiler, diğer tüm güçleri uzay-zamanda gelişen alanlar açısından tanımlarlar. Tek başına yerçekimi bize uzay-zamanın kendisinin geometrisi ve eğriliği hakkında bilgi verir. Diğer kuvvetlerin hiçbiri, yerçekimi gibi içinde yaşadığımız evrensel arka plan geometrisini tanımlamaz.

Şu anda, en iyi kuantum mekaniği teorimiz, yerçekiminin tanımladığı uzay-zamanın bu arka plan yapısını kullanıyor. Ve eğer yerçekiminin nicelleştirildiğine gerçekten inanıyorsanız, o zaman bu arka plan yapısını kaybederiz.

Yerçekimi klasikse ve nicelleştirilmemişse ne tür problemlerle karşılaşırsınız?

Topluluk uzun bir süre yerçekiminin klasik olmasının mantıksal olarak imkansız olduğuna inandı çünkü bir kuantum sistemini klasik bir sistemle birleştirmek tutarsızlıklara yol açacaktı. 1950'lerde Richard Feynman sorunu aydınlatan bir durum hayal etti: İki farklı konumun süperpozisyonunda olan devasa bir parçacıkla başladı. Bu konumlar, ünlü çift yarık deneyinde olduğu gibi, bir metal levhadaki iki delik olabilir. Burada parçacık aynı zamanda bir dalga gibi davranır. Yarıkların diğer tarafında açık ve koyu şeritlerden oluşan bir girişim deseni oluşturur, bu da hangi yarıktan geçtiğini bilmeyi imkansız hale getirir. Popüler anlatımlarda, parçacığın bazen her iki yarıktan aynı anda geçtiği anlatılır.

Ancak parçacığın kütlesi olduğu için ölçebileceğimiz bir yerçekimi alanı yaratır. Ve bu yerçekimi alanı bize onun yerini söyler. Yerçekimi alanı klasik ise, onu sonsuz bir hassasiyetle ölçebilir, parçacığın yerini anlayabilir ve hangi yarıktan geçtiğini belirleyebiliriz. O zaman paradoksal bir durumla karşı karşıyayız - girişim deseni bize parçacığın hangi yarıktan geçtiğini belirleyemeyeceğimizi söylüyor, ancak klasik yerçekimi alanı tam da bunu yapmamıza izin veriyor.

Ancak yerçekimi alanı kuantum ise, hiçbir paradoks yoktur - yerçekimi alanını ölçerken belirsizlik içeri girer ve bu nedenle parçacığın konumunu belirlemede hala belirsizliğimiz vardır.

Yani yerçekimi klasik davranırsa, sonunda çok fazla bilgi sahibi olursunuz. Ve bu, süperpozisyon gibi kuantum mekaniğinden değerli fikirlerin bozulduğu anlamına mı geliyor?

Evet, yerçekimi alanı çok şey biliyor. Ancak Feynman'ın argümanında klasik yerçekiminin çalışmasına izin verebilecek bir boşluk var.

Nedir bu boşluk?

Bu haliyle, parçacığın hangi yolu izlediğini biliyoruz çünkü uzay-zamanı büken ve parçacığın konumunu belirlememizi sağlayan belirli bir yerçekimi alanı üretiyor. 

Ancak parçacık ve uzay-zaman arasındaki bu etkileşim rastgele veya öngörülemezse, o zaman parçacığın kendisi yerçekimi alanını tamamen belirlemez. Bu, yerçekimi alanının ölçülmesinin parçacığın hangi yarıktan geçtiğini her zaman belirleyemeyeceği anlamına gelir çünkü yerçekimi alanı birçok durumdan birinde olabilir. Rastgelelik içeri girer ve artık bir paradoksunuz olmaz.

Öyleyse neden daha fazla fizikçi yerçekiminin klasik olduğunu düşünmüyor?

Tüm alanları nicelemediğimiz bir teoriye sahip olmak mantıksal olarak mümkündür. Ama klasik bir yerçekimi teorisinin nicelleştirilen diğer her şeyle tutarlı olması için, o zaman yerçekiminin temelde rastgele olması gerekir. Birçok fizikçi için bu kabul edilemez.

Neden?

Fizikçiler, doğanın nasıl çalıştığını anlamaya çalışmak için çok zaman harcıyorlar. Bu nedenle, çok derin bir düzeyde, doğası gereği öngörülemeyen bir şey olduğu fikri birçok kişiyi rahatsız ediyor.

Kuantum teorisindeki ölçümlerin sonucu olasılıksal görünüyor. Ancak birçok fizikçi rastgelelik olarak görünen şeyin sadece kuantum sistemi ve çevre ile etkileşime giren ölçüm cihazları olduğunu düşünmeyi tercih ediyor. Bunu gerçekliğin temel bir özelliği olarak görmüyorlar.

Onun yerine ne öneriyorsun?

En iyi tahminim, bir sonraki yerçekimi teorisinin ne tamamen klasik ne de tamamen kuantum değil, tamamen başka bir şey olacağı yönünde.

Fizikçiler sadece doğaya yaklaşan modeller buluyorlar. Ancak daha yakın bir yaklaşım girişimi olarak, öğrencilerim ve ben kuantum sistemleri ile klasik uzay-zamanın etkileşime girdiği tamamen tutarlı bir teori oluşturduk. Gerekli olan öngörülebilirliğin bozulmasına izin vermek için kuantum teorisini biraz değiştirmemiz ve klasik genel göreliliği biraz değiştirmemiz gerekiyordu.

Neden bu hibrit teoriler üzerinde çalışmaya başladınız?

Kara delik bilgi paradoksu beni motive etti. Bir kuantum parçacığını bir kara deliğe atıp sonra o kara deliğin buharlaşmasına izin verdiğinizde, kara deliklerin bilgiyi sakladığına inanıyorsanız bir paradoksla karşılaşırsınız. Standart kuantum teorisi, kara deliğe attığınız herhangi bir nesnenin bir şekilde karıştırılmış ama tanınabilir bir şekilde geri yansıtılmasını talep eder. Ancak bu, bize kara deliğin olay ufkunu geçen nesneleri asla bilemeyeceğinizi söyleyen genel göreliliği ihlal ediyor.

Ancak kara delik buharlaşma süreci belirsiz ise, o zaman paradoks yoktur. Kara deliğe neyin atıldığını asla öğrenemeyiz çünkü öngörülebilirlik bozulur. Genel görelilik güvenlidir.

Yani bu kuantum-klasik hibrit teorilerdeki gürültü bilginin kaybolmasına izin veriyor mu?

Kesinlikle. 

Ancak bilginin korunumu, kuantum mekaniğinde anahtar bir ilkedir. Bunu kaybetmek birçok teorisyene kolay kolay oturmaz.

Bu doğru. Son yıllarda bununla ilgili büyük tartışmalar oldu ve neredeyse herkes kara delik buharlaşmasının deterministik olduğuna inanmaya başladı. Buna her zaman şaşırmışımdır.

Yerçekiminin kuantize edilip edilmediğini deneyler çözecek mi?

Bir noktada. En küçük ölçeklerde yerçekimi hakkında hala neredeyse hiçbir şey bilmiyoruz. Bırakın bir proton ölçeğini, milimetre ölçeğinde bile test edilmedi. Ancak bunu yapacak bazı heyecan verici deneyler çevrimiçi olarak geliyor.

Biri, modern zaman versiyonu İki kurşun küre arasındaki yerçekimi kuvvetinin gücünü hesaplayan "Cavendish deneyi". Bu kuantum-klasik melezlerde olduğu gibi yerçekimi alanında rastgelelik varsa, o zaman gücünü ölçmeye çalıştığımızda her zaman aynı yanıtı alamayız. Yerçekimi alanı sallanacak. Yerçekiminin temelde klasik olduğu herhangi bir teori, belirli bir düzeyde yerçekimi gürültüsüne sahiptir.

Bu rasgeleliğin yerçekimi alanına özgü olduğunu ve çevreden gelen bir miktar gürültü olmadığını nereden biliyorsunuz?

bilmiyorsun Yerçekimi o kadar zayıf bir kuvvettir ki, en iyi deneylerde bile zaten çok fazla sallantı vardır. Bu nedenle, diğer tüm gürültü kaynaklarını mümkün olduğunca ortadan kaldırmalısınız. Heyecan verici olan şey, öğrencilerim ve ben, bu hibrit teoriler doğruysa, minimum miktarda yerçekimi gürültüsü olması gerektiğini gösterdik. Bu, bir çift yarık deneyinde altın atomları incelenerek ölçülebilir. Bu deneyler, yerçekiminin temelde klasik olup olmadığına zaten sınırlar koyuyor. İzin verilen belirsizlik miktarına kademeli olarak yaklaşıyoruz.

Bahsin diğer tarafında, yerçekiminin kuantize edildiğini kanıtlayacak herhangi bir deney var mı?

Var önerilen deneyler yerçekimi alanının aracılık ettiği dolaşıklığı arayanlar. Dolanıklık bir kuantum fenomeni olduğundan, bu, yerçekiminin kuantum doğasının doğrudan bir testi olacaktır. Bu deneyler çok heyecan verici ama muhtemelen onlarca yıl uzakta.