Egy új elmélet azt állítja, hogy egyesíti Einstein gravitációját a kvantummechanikával

Az UCL fizikusai egy radikális elméletet tettek közzé, amely következetesen egyesíti a gravitációt és a kvantummechanikát, miközben megőrzi ...

Az UCL fizikusai egy radikális elméletet tettek közzé, amely következetesen egyesíti a gravitációt és a kvantummechanikát, miközben megőrzi Einstein klasszikus téridő-koncepcióját.

A modern fizika két pilléren nyugszik: egyrészt a kvantumelméleten, amely a világegyetem legkisebb részecskéit szabályozza, másrészt Einstein általános relativitáselméletén, amely a gravitációt a téridő elhajlásán keresztül magyarázza. De ez a két elmélet ellentmond egymásnak, és a megbékélés több mint egy évszázada várat magára.

Az uralkodó feltevés az volt, hogy Einstein gravitációs elméletét módosítani vagy "kvantálni" kell, hogy beleférjen a kvantumelméletbe. Ez a megközelítés a gravitációs kvantumelmélet, a húrelmélet és a hurokkvantumgravitáció két vezető feltevésének megközelítése.

Ám egy új elmélet, amelyet Jonathan Oppenheim professzor dolgozott ki, és amelyet a Physical Review X (PRX) új tanulmányában fektettek le, megkérdőjelezi ezt a konszenzust, és alternatív megközelítést alkalmaz azáltal, hogy azt sugallja, hogy a téridő klasszikus - azaz egyáltalán nem a kvantumelmélet irányítja. (1)

A téridő módosítása helyett a "klasszikus gravitáció posztkvantumelméletének" nevezett elmélet módosítja a kvantumelméletet, és előrejelzi a kiszámíthatóság belső összeomlását, amelyet maga a téridő közvetít. Ez a téridő véletlenszerű és heves ingadozásait eredményezi, amelyek nagyobbak a kvantumelméletben elképzeltnél, és az objektumok látszólagos súlyát megjósolhatatlanná teszik, ha kellően pontosan mérik.

A Nature Communications-ben egyidejűleg megjelent második cikk, amelyet Oppenheim professzor egykori doktoranduszai vezettek, az elmélet néhány következményét vizsgálja, és egy kísérletet javasol annak tesztelésére, hogy nagyon pontosan megmérjenek egy tömeget, hogy megtudják, hogy a súlya ingadozni látszik-e. (2)

Például a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda Franciaországban rutinszerűen 1 kg-os tömeget mér, ami korábban az 1 kg-os szabvány volt. Ha az 1 kg tömegű mérések ingadozása kisebb, mint a matematikai konzisztenciához szükséges, akkor az elmélet kizárható.

A kísérlet kimenetele, vagy más olyan bizonyítékok, amelyek megerősítenék a téridő kvantum-klasszikus természetét, 5000:1-es fogadás tárgyát képezik Oppenheim professzor és Carlo Rovelli professzor, valamint Dr. Geoff Penington, a kvantumhurok gravitáció és a gravitáció vezető támogatói között.

Az elmúlt öt évben az UCL kutatócsoport stressz-teszttel foglalkozott az elmélettel, és feltárta annak következményeit.

Oppenheim professzor azt mondta: "A kvantumelmélet és az Einstein-féle általános relativitáselmélet matematikailag összeegyeztethetetlen egymással, ezért fontos megérteni, hogyan oldható fel ez az ellentmondás. Kvantálni kell a téridőt, vagy módosítani kell a kvantumelméletet, vagy ez valami egészen más? Most, hogy van egy konzisztens alapvető elméletünk, amelyben a téridőt nem kvantáljuk, ezt bárki találgathatja."

Zach Weller-Davies társszerző, aki az UCL doktoranduszaként segített a kísérleti javaslat kidolgozásában, és kulcsfontosságú hozzájárulást adott magának az elméletnek a kidolgozásához, egy sajtóközleményben azt mondta : "Ez a felfedezés megkérdőjelezi a gravitáció alapvető természetének megértését, de egyben lehetséges kvantumtermészetének vizsgálata." (3)

"Megmutattuk, hogy ha a téridőnek nincs kvantumtermészete, akkor a téridő görbületében véletlenszerű fluktuációknak kell lenniük, amelyeknek van egy sajátos, kísérletileg igazolható aláírása."

"Mind a kvantumgravitációban, mind a klasszikus gravitációban a téridő heves és véletlenszerű ingadozásokon megy keresztül körülöttünk, de olyan léptékben, amelyet még nem tudtunk észlelni. De ha a téridő klasszikus, akkor a fluktuációknak nagyobbnak kell lenniük egy bizonyos léptéknél, és ezt a skálát meg lehet határozni egy másik kísérlettel, ahol azt teszteljük, hogy mennyi ideig tudunk egy nehéz atomot szuperpozícióba helyezni két különböző helyen."

Dr. Carlo Sparaciari és Dr. Barbara Šoda társszerzők, akiknek analitikai és numerikus számításai segítették a projektet, reményüket fejezték ki, hogy ezek a kísérletek meg tudják határozni, vajon a gravitáció kvantumelmélete a helyes megközelítés.

Dr. Šoda azt mondta: "Mivel a gravitáció a tér és az idő elhajlásán keresztül nyilvánul meg, a kérdést úgy gondolhatjuk el, hogy az időáramlásnak kvantum vagy klasszikus természete van."

"És ennek tesztelése majdnem olyan egyszerű, mint annak tesztelése, hogy a tömeg állandó-e, vagy úgy tűnik, hogy bizonyos módon ingadozik."

Dr. Sparaciari a következőket mondta: "Bár a kísérleti koncepció egyszerű, a tárgy mérését rendkívüli pontossággal kell elvégezni."

"De amit izgalmasnak találok, az az, hogy nagyon általános feltételezésekből kiindulva egyértelmű összefüggést tudunk bizonyítani két mérhető mennyiség között - a téridő fluktuációk skálája és az, hogy az objektumok, például az atomok vagy az almák mennyi ideig helyezhetők el két különböző hely kvantum-szuperpozíciójában. Ezután kísérletileg meghatározhatjuk ezt a két mennyiséget."

Weller-Davies hozzátette: "Kényes kölcsönhatásnak kell léteznie, ha a kvantumrészecskék, például az atomok képesek meghajlítani a klasszikus téridőt. Alapvető kompromisszumnak kell lennie az atomok hullámtermészete és a téridő véletlenszerű fluktuációinak nagysága között."

Az a javaslat, hogy a téridő klasszikus-e a tömeg véletlenszerű ingadozásainak vizsgálatával, kiegészít egy másik kísérleti javaslatot, amelynek célja a téridő kvantumtermészetének igazolása olyasvalamivel, amit "gravitációs közvetített összefonódásnak" neveznek.

Sougato Bose professzor, aki ma nem vett részt a bejelentésben, de egyike volt azoknak, akik először javasolták az összefonódási kísérletet, azt mondta: "A téridő természetének tesztelésére irányuló kísérletek nagyszabású erőfeszítést igényelnek, de óriási jelentőséggel bírnak a természet alapvető törvényeinek megértése szempontjából. Úgy gondolom, hogy ezek a kísérletek elérhető közelségben vannak - ezeket nehéz megjósolni, de talán a következő 20 éven belül megtudjuk a választ."

A posztkvantumelméletnek a gravitáción túlmutató következményei is vannak. A kvantumelmélet hírhedt és problematikus "mérési posztulátumára" nincs szükség, mivel a kvantum-szuperpozíciók szükségszerűen a klasszikus téridővel való kölcsönhatásuk révén lokalizálódnak.

Az elméletet Oppenheim professzor azon kísérlete motiválta, hogy megoldja a fekete lyukak információs problémáját. A szabványos kvantumelmélet szerint a fekete lyukba kerülő tárgyat valamilyen módon vissza kell sugározni, mivel az információt nem lehet megsemmisíteni, ez azonban sérti az általános relativitáselméletet, amely szerint soha nem lehet tudni azokról a tárgyakról, amelyek áthaladnak a fekete lyuk eseményhorizontján. Az új elmélet lehetővé teszi az információk megsemmisítését a kiszámíthatóság alapvető meghibásodása miatt. (4)

(1) - https://arxiv.org/abs/1811.03116
(2) - https://www.nature.com/articles/s41467
(3) - https://www.ucl.ac.uk/news/2023/dec/new
(4) - https://www.eurekalert.org/news-releases/