En ny teori om kvanteundersystemer

Når de studerer et komplekst system, identificerer forskere mindre stykker kaldet undersystemer, som de kan forstå. Ved at studere subsystemer og sammenhængene mellem dem rekonstruerer de en forståelse af helheden.

Denne tilgang er blevet brugt med stor succes til at forklare fænomener og udvikle applikationer baseret på kvantemekanik - stoffysikken og energien på atomets skala eller mindre. Men det beskriver i høj grad systemer, der fungerer i en verden, hvor tiden er absolut.

Det kommer til kort, når man beskriver scenarier, der betragter Einsteins generelle relativitetsteori, hvor tid er relativ og tæt sammenvævet med rummet til en firedimensionel rumtid.

Nu foreslår en teoretisk undersøgelse, der er medforfatter af Alexander Smith, adjunkt i fysik, og Shadi Ali Ahmad '22, en ny ramme til identifikation af undersystemer og korrelationer på en måde, der er kompatibel med generel relativitetsteori.

Deres arbejde kan bruges til at konstruere en kvantebeskrivelse af rumtid, siger Smith. Teoretiske fysikere har længe stræbt efter at kombinere kvantemekanik og generel relativitet i den forenede teori om kvantetyngdekraften. Forsøg på endelig at forene disse fundamentalt forskellige teorier, der beskriver universet, har gjort fremskridt i de sidste to årtier.

Den nye ramme, offentliggjort i april i Physical Review Letters tidsskrift, bygger på tidligere arbejde om delsystemer af James Frank Family Professor of Physics Lorenza Viola og hendes samarbejdspartnere.

"Kvantemekanik giver mulighed for korrelationer, der ikke er i overensstemmelse med vores klassiske forståelse af verden," siger Smith. Viola og hendes samarbejdspartnere gav os en ny måde at tænke på disse finurlige kvante-korrelationer, siger han. I deres rammer, i stedet for at have sammensatte bygningsdele, der er limet sammen til et større system, opstår delsystemerne fra det komplekse system baseret på den slags målinger, man kan foretage.

Smith, Ahmad og deres samarbejdspartnere anvender denne idé til at opbygge en ramme til identifikation af undersystemer, som er i overensstemmelse med relativitetsteorien, og finder ud af, at forestillingen om undersystemet ikke længere er objektiv.

"Måden vi opdeler et system på er også relativ. Det afhænger af, hvem der ser på det," siger Smith. Mens deres metode i øjeblikket gælder for simple systemer, arbejder forfatterne på at generalisere rammerne.

Adskillige teoretiske begreber, der driver den spirende forståelse af kvantetyngdekraften, har deres oprindelse i kvanteinformationsteori - et relativt nyt felt, der studerer, hvordan information i et kvantesystem kan analyseres og manipuleres. "Kvanteinformationsvidenskab har givet os denne helt nye måde at tænke på selve kvantemekanikken på," siger Smith.

I samarbejde med Smith og andre forskere har Ahmad, der er fra Beirut, Libanon, og med hovedfag i fysik og matematik, brugt kvanteinformationsteori til at studere en række forskellige teoretiske problemer.

I tidligere arbejde, offentliggjort i Physical Review D , var de de første til at undersøge, hvordan gravitationsbølger - krusninger i rumtiden forårsaget, når massive astronomiske objekter accelererer til ekstreme niveauer - påvirker sammenfiltring mellem systemer.

Endnu et projekt, offentliggjort i Physical Review A , behandler spørgsmålet om, hvordan arbejde – målet for hvor meget energi der overføres, når en kraft virker på et objekt – kan defineres på kvanteskalaen.

Smith siger, at Ahmad er en af ​​de mest lærende, hårdtarbejdende og produktive elever, han har mødt. "At se Shadi udvikle sine evner inden for teoretisk fysik i løbet af de sidste fire år har været meget givende," siger han.

Ahmad vandt 2022 Gazzaniga Family Science Award, som anerkender videnskabelige præstationer af en færdiguddannet senior i videnskaberne. Han er også modtager af fysik- og astronomistolens pris.

"Kvanteinformationsteori er en værktøjskasse, som jeg kan lide at låne fra og bruge bredt," siger Ahmad. Løftet om adgang til bachelor-forskningsmuligheder og finansiering var det, der trak ham til Dartmouth, siger han. Nu er en forsker ved Dartmouth, Ahmad afslutter igangværende projekter, mens han forbereder sig på at ansøge om kandidatuddannelser.

Med undervisningen som springbræt opsøgte han forskningsmentorer i fysik- og matematikafdelingerne og samarbejdede med dem om en lang række forskningsemner.

"At tale om videnskab med mennesker former den måde, du tænker på," siger Ahmad, der allerede har tre publikationer under bæltet. "Jeg synes, det virkelig skærper din interesse." + Udforsk yderligere

Forklaring af tyngdekraft uden strengteori