Фізик, який робить ставку на те, що гравітація не може бути квантована | Журнал Quanta

Більшість фізиків очікують, що коли ми наближаємося до тканини реальності, неінтуїтивна дивацтво квантової механіки зберігається аж до найдрібніших масштабів. Але в цих умовах квантова механіка стикається з класичною гравітацією абсолютно несумісним чином.

Тож протягом майже століття теоретики намагалися створити єдину теорію, квантуючи гравітацію або формуючи її відповідно до правил квантової механіки. Їм це досі не вдалося.

Джонатан Оппенгейм, який керує програмою вивчення постквантових альтернатив в Університетському коледжі Лондона, підозрює, що це тому, що гравітацію просто не можна втиснути в квантову коробку. Можливо, стверджує він, наше припущення про те, що його потрібно квантувати, є помилковим. «Ця точка зору вкорінена», — сказав він. «Але ніхто не знає, що таке правда».

Квантові теорії базуються на ймовірностях, а не на впевненості. Наприклад, коли ви вимірюєте квантову частинку, ви не можете точно передбачити, де ви її знайдете, але ви можете передбачити ймовірність того, що вона буде знайдена в певному місці. Більше того, чим більше ви впевнені щодо розташування частинки, тим менш ви впевнені щодо її імпульсу. Протягом 20-го століття фізики поступово розуміли електромагнетизм та інші сили, використовуючи цю структуру. 

Але коли вони спробували квантувати гравітацію, вони наштовхнулися на неприродну нескінченність, яку довелося обійти за допомогою незграбних математичних трюків.

 Проблеми виникають тому, що гравітація є результатом самого простору-часу, а не чогось, що діє поверх нього. Отже, якщо гравітація квантована, це означає, що простір-час також квантований. Але це не працює, тому що квантова теорія має сенс лише на тлі класичного простору-часу — ви не можете додавати, а потім розвивати квантові стани на невизначеній основі. 

Щоб вирішити цей глибокий концептуальний конфлікт, більшість теоретиків звернулися до теорії струн, яка уявляє, що матерія та простір-час виникають із крихітних вібруючих струн. Менша фракція шукала петлеву квантову гравітацію, яка замінює плавний простір-час загальної теорії відносності Ейнштейна мережею зблокованих петель. В обох теоріях наш звичний класичний світ якимось чином виникає з цих фундаментально квантових будівельних блоків. 

Оппенгейм спочатку був теоретиком струн, а теоретики струн вірять у примат квантової механіки. Але невдовзі йому стало некомфортно від складної математичної акробатики, яку виконували його однолітки, щоб вирішити одну з найсумніших проблем сучасної фізики: Інформаційний парадокс чорної діри. 

У 2017 році Оппенгейм почав шукати альтернативи, які б уникали інформаційного парадоксу, взявши за основу як квантовий, так і класичний світи. Він наткнувся на деякі пропущені дослідження на квантово-класичний гібридні теорії з 1990-х, яким він був розширення та дослідження Відтоді. Вивчаючи взаємозв’язок класичного та квантового світів, Оппенгейм сподівається знайти глибшу теорію, яка не є ані квантовою, ані класичною, а є свого роду гібридом. «Часто ми складаємо всі наші яйця в кілька кошиків, коли є багато можливостей», — сказав він. 

Щоб висловити свою думку, Оппенгейм нещодавно зробив ставку з Джефф Пенінгтон та Карло Ровеллі — лідери у відповідних галузях теорії струн і петльової квантової гравітації. Шанси? 5,000 до 1. Якщо здогад Оппенгейма правильний і простір-час не квантований, він може виграти відра картопляних чіпсів, кольоровий пластик кульки базинга, або порції оливкової олії, за його уявленнями — за умови, що кожна штука коштує щонайбільше 20 пенсів (близько 25 центів).

Ми зустрілися в кафе на півночі Лондона, заставленому книгами, де він спокійно розкрив свої занепокоєння щодо статус-кво квантової гравітації та вихваляв дивовижну красу цих гібридних альтернатив. «Вони піднімають усі види надзвичайно тонких питань», — сказав він. «Я справді втратив ноги, намагаючись зрозуміти ці системи». Але він витримує. 

«Я хочу свої 5,000 кульок базінга».

Інтерв’ю було скорочене та відредаговане для ясності.

Чому більшість теоретиків настільки впевнені, що простір-час квантований?

Це стало догмою. Усі інші поля в природі квантовані. Є відчуття, що в гравітації немає нічого особливого — це просто поле, як і будь-яке інше — і тому ми повинні квантувати його.

На вашу думку, гравітація є особливою?

Так. Фізики визначають усі інші сили в термінах полів, що розвиваються в просторі-часі. Лише гравітація говорить нам про геометрію та кривизну самого простору-часу. Жодна з інших сил не описує універсальну фонову геометрію, в якій ми живемо, як гравітація.

На даний момент наша найкраща теорія квантової механіки використовує цю фонову структуру простору-часу, яку визначає гравітація. І якщо ви дійсно вірите, що гравітація квантована, тоді ми втрачаємо фонову структуру.

З якими проблемами ви зіткнетеся, якщо гравітація класична і не квантована?

Довгий час спільнота вважала, що логічно неможливо, щоб гравітація була класичною, оскільки поєднання квантової системи з класичною системою призвело б до невідповідностей. У 1950-х роках Річард Фейнман уявив ситуацію, яка прояснила проблему: він почав з масивної частинки, яка перебуває в суперпозиції двох різних місць. Ці місця можуть бути двома отворами в металевому листі, як у відомому експерименті з подвійною щілиною. Тут частинка також поводиться як хвиля. Він створює інтерференційну картину світлих і темних смуг з іншого боку щілин, що робить неможливим дізнатися, через яку щілину він пройшов. У популярних описах частинка іноді описується як така, що проходить через обидві щілини одночасно.

Але оскільки частинка має масу, вона створює гравітаційне поле, яке ми можемо виміряти. І це гравітаційне поле повідомляє нам про його розташування. Якщо гравітаційне поле є класичним, ми можемо виміряти його з нескінченною точністю, зробити висновок про місцезнаходження частинки та визначити, через яку щілину вона пройшла. Отже, ми маємо парадоксальну ситуацію — інтерференційна картина говорить нам, що ми не можемо визначити, через яку щілину пройшла частинка, але класичне гравітаційне поле дозволяє нам це зробити.

Але якщо гравітаційне поле є квантовим, парадоксу немає — під час вимірювання гравітаційного поля виникає невизначеність, і тому ми все ще маємо невизначеність у визначенні місцезнаходження частинки.

Отже, якщо гравітація поводиться класично, ви в кінцевому підсумку знаєте занадто багато. І це означає, що заповітні ідеї квантової механіки, такі як суперпозиція, руйнуються?

Так, гравітаційне поле знає занадто багато. Але в аргументах Фейнмана є лазівка, яка може дозволити класичній гравітації працювати.

Що це за лазівка?

У поточному стані ми знаємо, яким шляхом пройшла частинка, лише тому, що вона створює певне гравітаційне поле, яке викривляє простір-час і дозволяє нам визначити місце розташування частинки. 

Але якщо ця взаємодія між частинкою та простором-часом є випадковою — або непередбачуваною — то сама частинка не повністю визначає гравітаційне поле. Це означає, що вимірювання гравітаційного поля не завжди визначає, через яку щілину пройшла частинка, оскільки гравітаційне поле може бути в одному з багатьох станів. Випадковість підкрадається, і у вас більше немає парадоксу.

Тож чому більше фізиків не вважають гравітацію класичною?

Ну, логічно можливо мати теорію, в якій ми не квантуємо всі поля. Але щоб класична теорія гравітації була узгоджена з квантуванням усього іншого, гравітація має бути принципово випадковою. Для багатьох фізиків це неприйнятно.

Чому?

Фізики витрачають багато часу на те, щоб зрозуміти, як працює природа. Тож ідея про те, що на дуже глибокому рівні існує щось за своєю суттю непередбачуване, багатьох турбує.

Результати вимірювань у рамках квантової теорії видаються імовірнісними. Але багато фізиків вважають за краще думати, що те, що виглядає як випадковість, — це лише квантова система та вимірювальний прилад, які взаємодіють із середовищем. Вони не сприймають це як якусь фундаментальну рису реальності.

Що ви пропонуєте натомість?

Моє найкраще припущення полягає в тому, що наступна теорія гравітації не буде ні класичною, ні квантовою, а зовсім іншою.

Фізики лише придумують моделі, які наближено відповідають природі. Але як спробу ближчого наближення ми зі студентами побудували повністю послідовну теорію, у якій квантові системи та класичний простір-час взаємодіють. Нам просто довелося дещо модифікувати квантову теорію та класичну загальну теорію відносності, щоб дозволити порушити передбачуваність, яка потрібна.

Чому ви почали працювати над цими гібридними теоріями?

Мене спонукав інформаційний парадокс чорної діри. Коли ви кидаєте квантову частинку в чорну діру, а потім дозволяєте цій чорній дірі випаруватися, ви стикаєтеся з парадоксом, якщо вірите, що чорні діри зберігають інформацію. Стандартна квантова теорія вимагає, щоб будь-який об’єкт, який ви кинули в чорну діру, випромінювався назад у якийсь зашифрований, але впізнаваний спосіб. Але це порушує загальну теорію відносності, яка говорить нам, що ви ніколи не можете знати про об’єкти, які перетинають горизонт подій чорної діри.

Але якщо процес випаровування чорної діри недетермінований, то парадоксу немає. Ми ніколи не дізнаємося, що було кинуто в чорну діру, тому що передбачуваність руйнується. Загальна теорія відносності безпечна.

Отже, шум у цих квантово-класичних гібридних теоріях дозволяє втрачати інформацію?

Саме так. 

Але збереження інформації є ключовим принципом у квантовій механіці. Багатьом теоретикам непросто втрачати це.

Це правда. В останні десятиліття з цього приводу точилися великі дискусії, і майже всі прийшли до думки, що випаровування чорних дір є детермінованим. Мене це завжди дивує.

Чи закінчаться експерименти, якщо гравітація квантована чи ні?

В деякій точці. Ми досі майже нічого не знаємо про гравітацію в найдрібніших масштабах. Його навіть не випробували в міліметровому масштабі, не кажучи вже про масштаб протона. Але в Інтернеті є кілька захоплюючих експериментів, які це зроблять.

Один є сучасна версія «експерименту Кавендіша», який обчислює силу гравітаційного притягання між двома свинцевими сферами. Якщо в гравітаційному полі є випадковість, як у цих квантово-класичних гібридах, тоді, коли ми спробуємо виміряти його силу, ми не завжди отримаємо ту саму відповідь. Гравітаційне поле буде коливатися. Будь-яка теорія, в якій гравітація є фундаментально класичною, має певний рівень гравітаційного шуму.

Як ви знаєте, що ця випадковість притаманна гравітаційному полю, а не якомусь шуму з навколишнього середовища?

Ви не робите. Сила тяжіння настільки слабка, що навіть у найкращих експериментах вже є багато коливань. Отже, ви повинні максимально усунути всі ці інші джерела шуму. Що цікаво, так це те, що ми з моїми студентами показали, що якщо ці гібридні теорії правдиві, має бути якась мінімальна кількість гравітаційного шуму. Це можна виміряти, вивчаючи атоми золота в експерименті з подвійною щілиною. Ці експерименти вже встановлюють межі того, чи є гравітація фундаментально класичною. Ми поступово наближаємося до допустимої кількості невизначеності.

З іншого боку, чи існують експерименти, які б довели, що гравітація квантована?

Існує запропоновані експерименти які шукають заплутаність, опосередковану гравітаційним полем. Оскільки заплутаність є квантовим явищем, це буде прямим тестом квантової природи гравітації. Ці експерименти дуже захоплюючі, але, ймовірно, через десятиліття.