Nová teorie, která sjednocuje Einsteinovu gravitaci s kvantovou mechanikou

Radikální teorie, která důsledně sjednocuje gravitaci a kvantovou mechaniku a zároveň zachovává Einsteinův klasický koncept prostoročasu, byla dnes oznámena ve dvou článcích publikovaných současně fyziky na UCL (University College London).

Moderní fyzika stojí na dvou pilířích: na kvantové teorii na jedné straně, která řídí nejmenší částice ve vesmíru, a na Einsteinově obecné teorii relativity na straně druhé, která vysvětluje gravitaci prostřednictvím zakřivení časoprostoru. Ale tyto dvě teorie si odporovaly a usmíření zůstalo nepolapitelné po více než století.

Zpochybňování status quo: Nový teoretický přístup

Převládajícím předpokladem bylo, že Einsteinova teorie gravitace musí být upravena, neboli „kvantována“, aby vyhovovala kvantové teorii. Tento přístup zaujali dva z předních kandidátů na kvantovou teorii gravitace, teorii strun a smyčkovou kvantovou gravitaci.

Ale nová teorie, vyvinutá profesorem Jonathanem Oppenheimem (UCLA Physics and Astronomy) a položená v novém článku v… Fyzický přehled Zpochybňuje tento konsenzus a zaujímá alternativní přístup, když navrhuje, že časoprostor může být klasický – to znamená, že se vůbec neřídí kvantovou teorií.

Spíše než modifikace časoprostoru, teorie – přezdívaná „postkvantová teorie klasické gravitace“ – modifikuje kvantovou teorii a předpovídá zásadní kolaps v předvídatelnosti samotného prostoročasu. To má za následek náhodné a prudké fluktuace v časoprostoru, které jsou větší, než si kvantová teorie představuje, takže zdánlivá hmotnost objektů je nepředvídatelná, pokud je měřena s dostatečnou přesností.

Empirické testy a teoretické implikace

Druhý dokument, publikovaný současně v Příroda komunikace Pod vedením bývalých doktorandů profesora Oppenheima se dívá na některé důsledky teorie a navrhuje experiment, který ji otestuje: měřte hmotnost velmi přesně, abyste zjistili, zda se zdá, že její hmotnost v průběhu času kolísá.

Například Mezinárodní úřad pro váhy a míry ve Francii běžně vážil hmotnost 1 kg, která byla používána jako 1 kg standard. Pokud jsou výkyvy v měřeních této hmotnosti 1 kg menší, než je požadováno pro matematickou konzistenci, lze teorii vyloučit.

Výsledek experimentu nebo další objevující se důkazy, které by potvrdily kvantovou povahu versus klasickou povahu časoprostoru, jsou předmětem sázky na pravděpodobnost 5000:1 mezi profesorem Oppenheimem, profesorem Carlem Rovellim a Dr. Jeffem Penningtonem – předními zastánci gravitace kvantové smyčky. respektive teorie strun.

Pětiletá studie UCL Research Group

Během posledních pěti let výzkumná skupina UCLA testovala teorii a zkoumala její důsledky.

Profesor Oppenheim řekl: „Kvantová teorie a Einsteinova teorie obecné relativity jsou matematicky nekompatibilní, takže je důležité pochopit, jak tento rozpor vyřešit. Pokud by byl časoprostor kvantový, nebo bychom měli modifikovat kvantovou teorii, nebo je to něco Zda máme konzistentní fundamentální teorii, že časoprostor nelze kvantovat, si může kdokoli domyslet.

„Tento objev zpochybňuje naše chápání základní povahy gravitace, ale také poskytuje způsoby, jak prozkoumat její vliv,“ řekl spoluautor Zach Wheeler-Davies, který jako doktorand na UCLA pomohl vyvinout experimentální návrh a zásadním způsobem přispěl k teorii. sám. Potenciální kvantová povaha

„Ukázali jsme, že pokud časoprostor nemá kvantovou povahu, musí existovat náhodné fluktuace v zakřivení časoprostoru, které mají určitý podpis, který lze experimentálně ověřit.

„V kvantové gravitaci i klasické gravitaci musí prostoročas podléhat prudkým, náhodným fluktuacím všude kolem nás, ale v měřítku, které jsme dosud nebyli schopni detekovat. Ale pokud je prostoročas klasický, fluktuace musí být větší než určité měřítko.“ , a toto měřítko lze určit z Během dalšího experimentu, kdy zkoušíme, jak dlouho můžeme umístit těžký předmět kukuřice V superpozici existence na dvou různých místech.”

Příspěvky a postřehy od spoluautorů

Spoluautoři Dr. Carlo Sparacciari a Dr. Barbara Gouda, jejichž analytické a numerické výpočty pomohly vést projekt, vyjádřili naději, že tyto experimenty určí, zda je hledání kvantové teorie gravitace tím správným přístupem.

„Vzhledem k tomu, že gravitace vzniká zakřivením prostoru a času, můžeme uvažovat o otázce z hlediska toho, zda rychlost, kterou plyne čas, má povahu kvantové nebo klasické povahy.

„Testování je téměř stejně jednoduché jako testování, zda je hmotnost hmoty konstantní nebo zda se zdá, že určitým způsobem kolísá.“

Dr. Sparacari (Fyzika a astronomie, University College London) řekl: „Ačkoli je experimentální koncept jednoduchý, vážení objektu musí být provedeno velmi přesně.

„Ale vzrušující je to, že vycházíme z velmi obecných předpokladů a můžeme prokázat jasný vztah mezi dvěma měřitelnými veličinami – velikostí časoprostorových fluktuací a tím, jak dlouho lze věci jako atomy nebo jablka umístit do kvantové superpozice dvou různá místa.” . Tyto dvě veličiny pak můžeme určit experimentálně.

Wheeler-Davies dodal: „Musí existovat přesná interakce, pokud mají kvantové částice, jako jsou atomy, být schopny ohýbat klasický časoprostor. Musí existovat zásadní kompromis mezi vlnovou povahou atomů a tím, jak velké jsou náhodné fluktuace v časoprostoru.“

Širší implikace a budoucí experimenty

Návrh otestovat, zda je časoprostor klasický hledáním náhodných fluktuací hmotnosti, doplňuje další experimentální návrh, jehož cílem je ověřit kvantovou povahu časoprostoru hledáním něčeho, co se nazývá „gravitačně zprostředkované zapletení“.

„Experimenty k testování povahy časoprostoru budou vyžadovat velké úsilí, ale mají velký význam z hlediska pochopení základních zákonů,“ řekl profesor Sugato Bose (UCLA Physics and Astronomy), který se na výzkumu nepodílel. dnešní oznámení, ale byl mezi prvními, kdo navrhl experiment se zapletením. Pro přírodu si myslím, že tyto experimenty jsou na dosah a tyto věci je těžké předvídat, ale možná během příštích 20 let budeme znát odpověď.

Postkvantová teorie má důsledky mimo gravitaci. Není potřeba notoricky známý a problematický „axiom měření“ v kvantové teorii, protože kvantové superpozice jsou nutně lokalizovány prostřednictvím jejich interakce s klasickým časoprostorem.

Tato teorie byla motivována snahou profesora Oppenheima problém vyřešit Černá díra Informační problém. Podle standardní kvantové teorie musí objekt vstupující do černé díry nějakým způsobem vyzařovat zpět, aby informace nemohla být zničena, ale to porušuje obecnou relativitu, která říká, že nikdy nemůžete vědět, jaké objekty překročí horizont událostí černé díry. Nová teorie umožňuje zničení informací v důsledku zásadního zhroucení předvídatelnosti.

Základní informace

Kvantová mechanika

Veškerá hmota ve vesmíru se řídí zákony kvantové teorie, ale kvantové chování pozorujeme pouze na úrovni atomů a molekul. Kvantová teorie nám říká, že částice se řídí Heisenbergovým principem neurčitosti a nikdy nemůžeme znát jejich polohu nebo rychlost zároveň. Ve skutečnosti ani nemá konkrétní umístění nebo rychlost, kterou bychom mohli měřit. Částice jako elektrony se mohou chovat jako vlny a chovat se, jako by mohly být na mnoha místech najednou (přesněji fyzici popisují částice jako částice v „superpozici“ různých míst).

Vše řídí kvantová teorie Polovodiče Nachází se všude v počítačových čipech, laserech, supravodivosti a radioaktivním rozpadu. Naproti tomu říkáme, že systém se chová klasicky, pokud má určité základní vlastnosti. Zdá se, že kočka se chová klasicky – je buď mrtvá, nebo živá, ne obojí, ani ve stavu překrývání mezi tím, že je živá a mrtvá. Proč se kočky chovají klasicky a malé molekuly se chovají kvantově? Nevíme, ale postkvantová teorie nevyžaduje axiom měření, protože časoprostorový klasicismus platí pro kvantové systémy a způsobuje jejich lokalizaci.

gravitace

Newtonova teorie gravitace ustoupila Einsteinově obecné teorii relativity, která tvrdí, že gravitace není síla v obvyklém smyslu. Místo toho těžké objekty, jako je Slunce, ohýbají strukturu časoprostoru takovým způsobem, že se Země kolem nich otáčí. Časoprostor je jen matematický objekt sestávající ze tří dimenzí prostoru a čas je považován za čtvrtou dimenzi. Obecná teorie relativity předpověděla vznik černých děr a velký třesk. Uvádí, že čas plyne různou rychlostí v různých bodech prostoru a Globální Polohovací Systém Váš smartphone to musí vzít v úvahu, aby správně určil vaši polohu.

Historický kontext

Rámec prezentovaný Oppenheimem v PRX a v doprovodném článku se Sparacari, Soda a Wheeler-Davies odvozuje nejobecnější formu dynamiky, ve které kvantový systém interaguje s klasickým systémem. Tento rámec je pak aplikován na případ obecné teorie relativity spojené s kvantovou teorií pole. Navazuje na předchozí práci a komunitu fyziků. Experiment k testování kvantové povahy gravitace prostřednictvím gravitačně zprostředkovaného zapletení navrhl Bose et al. a a C. Marletto a V. Vadral. Dva příklady konzistentní klasické kvantové dynamiky objevili v 90. letech Blanchard, A. Gadzik a Lajos Deussi, Ph.D., a znovu kolem roku 2017 David Bolin. Z jiné perspektivy byl v roce 2014 objeven model kvantově vázané newtonovské gravitace. Systémy prostřednictvím přístupu „měření a zpětné vazby“ představili Deucy a Antoine Thiloi v roce 2016 a De Caffrey, J. Taylor a J. Melbourne, v roce 2014. Myšlenka, že by gravitace mohla nějak souviset s kolapsem vlnové funkce, pochází od F. Karolyhazyho (1966), L. Diosiho (1987) a R. Penrose (1996). Klasické kvantové vazby mohou vysvětlit lokalizaci vlnových funkcí jinými, včetně M. Halla a M. Reginatto, Diosi, Tilloy a David Poulin. Myšlenka, že časoprostor může být klasický, se vrací k já. Sato (1950) a C. Muller (1962), ale zatím nebyla nalezena žádná konzistentní teorie.

Reference:

„Postkvantová teorie klasické gravitace“ od Jonathana Oppenheima, 4. prosince 2023, Fyzická revize.
spojení

4. prosince 2023, Příroda komunikace.
doi: 10.1038/s41467-023-43348-2