Ny teori hævder at forene Einsteins tyngdekraft med kvantemekanik

En radikal teori, der konsekvent forener tyngdekraft og kvantemekanik, samtidig med at Einsteins klassiske begreb om rumtid bevares, er blevet annonceret i to artikler udgivet samtidigt af UCL (University College London) fysikere.

Moderne fysik er baseret på to søjler:Kvanteteorien på den ene side, som styrer de mindste partikler i universet, og Einsteins generelle relativitetsteori på den anden, som forklarer tyngdekraften gennem rumtidens bøjning. Men disse to teorier er i modstrid med hinanden, og en forsoning har været uhåndgribelig i over et århundrede.

Den fremherskende antagelse har været, at Einsteins teori om tyngdekraften skal modificeres eller "kvantiseres" for at passe ind i kvanteteorien. Dette er tilgangen fra to førende kandidater til en kvanteteori om tyngdekraft, strengteori og sløjfekvantetyngdekraft.

Men en ny teori, udviklet af professor Jonathan Oppenheim (UCL Physics &Astronomy) og fremlagt i et papir i Physical Review X, udfordrer denne konsensus og tager en alternativ tilgang ved at foreslå, at rumtid kan være klassisk – det vil sige slet ikke styret af kvanteteori.

I stedet for at modificere rumtiden modificerer teorien - kaldet en "postkvanteteori om klassisk tyngdekraft" - kvanteteorien og forudsiger en iboende sammenbrud i forudsigelighed, der er medieret af rumtiden selv. Dette resulterer i tilfældige og voldsomme udsving i rumtiden, der er større end forudset under kvanteteorien, hvilket gør den tilsyneladende vægt af objekter uforudsigelig, hvis den måles præcist nok.

En anden artikel, udgivet samtidigt i Nature Communications og ledet af professor Oppenheims tidligere ph.d. studerende, ser på nogle af konsekvenserne af teorien og foreslår et eksperiment for at teste den:at måle en masse meget præcist for at se, om dens vægt ser ud til at svinge over tid.

For eksempel vejer International Bureau of Weights and Measures i Frankrig rutinemæssigt en masse på 1 kg, hvilket plejede at være standarden på 1 kg. Hvis udsvingene i målingerne af denne 1 kg masse er mindre end nødvendigt for matematisk konsistens, kan teorien udelukkes.

Resultatet af eksperimentet, eller andre beviser, der dukker op, som ville bekræfte rumtidens kvante versus klassiske karakter, er genstand for et 5000:1 odds-væddemål mellem professor Oppenheim og professor Carlo Rovelli og Dr. Geoff Penington – førende fortalere for kvantesløjfe henholdsvis tyngdekraft og strengteori.

I de sidste fem år har UCL-forskergruppen stresstestet teorien og udforsket dens konsekvenser.

Professor Oppenheim sagde:"Kvanteteori og Einsteins generelle relativitetsteori er matematisk uforenelige med hinanden, så det er vigtigt at forstå, hvordan denne modsætning løses. Skal rumtiden kvantiseres, eller skal vi modificere kvanteteorien, eller er det noget helt andet? Nu hvor vi har en konsekvent fundamental teori, hvor rumtid ikke bliver kvantificeret, er det enhvers gæt."

Medforfatter Zach Weller-Davies, der som ph.d. studerende ved UCL hjalp med at udvikle det eksperimentelle forslag og gav vigtige bidrag til selve teorien, sagde:"Denne opdagelse udfordrer vores forståelse af tyngdekraftens grundlæggende natur, men tilbyder også muligheder for at undersøge dens potentielle kvantenatur."

"Vi har vist, at hvis rumtid ikke har en kvantenatur, så må der være tilfældige fluktuationer i rumtidens krumning, som har en bestemt signatur, der kan verificeres eksperimentelt.

"I både kvantetyngdekraften og klassisk tyngdekraft skal rumtiden undergå voldsomme og tilfældige udsving overalt omkring os, men i en skala, som vi endnu ikke har været i stand til at opdage. Men hvis rumtiden er klassisk, skal udsvingene være større end en bestemt skala, og denne skala kan bestemmes ved et andet eksperiment, hvor vi tester, hvor længe vi kan sætte et tungt atom i superposition på to forskellige steder."

Medforfatterne Dr. Carlo Sparaciari og Dr. Barbara Šoda, hvis analytiske og numeriske beregninger hjalp med at guide projektet, udtrykte håb om, at disse eksperimenter kunne afgøre, om forfølgelsen af ​​en kvanteteori om tyngdekraft er den rigtige tilgang.

Dr. Šoda (tidligere UCL Physics &Astronomy, nu ved Perimeter Institute of Theoretical Physics, Canada) sagde:"Fordi tyngdekraften manifesteres gennem bøjning af rum og tid, kan vi tænke på spørgsmålet i form af, om hastigheden ved hvilken tid flyder har en kvantenatur eller klassisk natur.

"Og at teste dette er næsten lige så simpelt som at teste, om vægten af ​​en masse er konstant eller ser ud til at svinge på en bestemt måde."

Dr. Sparaciari (UCL Physics &Astronomy) sagde:"Selvom det eksperimentelle koncept er enkelt, skal vejningen af ​​objektet udføres med ekstrem præcision.

"Men det, jeg synes er spændende, er, at ud fra meget generelle antagelser kan vi bevise en klar sammenhæng mellem to målbare størrelser - skalaen af ​​rumtidsudsvingene, og hvor længe objekter som atomer eller æbler kan sættes i kvantesuperposition af to forskellige steder . Vi kan så bestemme disse to mængder eksperimentelt."

Weller-Davies tilføjede:"Der skal eksistere et delikat samspil, hvis kvantepartikler såsom atomer er i stand til at bøje klassisk rumtid. Der skal være en grundlæggende afvejning mellem atomernes bølgenatur, og hvor store de tilfældige fluktuationer i rumtiden skal være. ."

Forslaget om at teste, om rumtid er klassisk ved at lede efter tilfældige udsving i massen, er komplementært til et andet eksperimentelt forslag, der har til formål at verificere rumtidens kvantenatur ved at lede efter noget, der kaldes "gravitationelt medieret sammenfiltring."

Professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy), som ikke var involveret i annonceringen i dag, men var blandt dem, der først foreslog sammenfiltringseksperimentet, sagde:"Eksperimenter for at teste rumtidens natur vil kræve en storstilet indsats, men de 'er af enorm betydning ud fra et perspektiv om at forstå de grundlæggende naturlove, jeg tror, ​​at disse eksperimenter er inden for rækkevidde - disse ting er svære at forudsige, men måske kender vi svaret inden for de næste 20 år."

Postkvanteteorien har implikationer ud over tyngdekraften. Kvanteteoriens berygtede og problematiske "målepostulat" er ikke nødvendig, da kvantesuperpositioner nødvendigvis lokaliseres gennem deres interaktion med klassisk rumtid.

Teorien var motiveret af professor Oppenheims forsøg på at løse det sorte huls informationsproblem. Ifølge standard kvanteteori skal et objekt, der går ind i et sort hul, stråles ud igen på en eller anden måde, da information ikke kan ødelægges, men dette bryder med den generelle relativitetsteori, som siger, at man aldrig kan vide om objekter, der krydser det sorte huls begivenhedshorisont. Den nye teori gør det muligt at ødelægge information på grund af et fundamentalt sammenbrud i forudsigelighed.

Flere oplysninger: En postkvanteteori om klassisk tyngdekraft?, Physical Review X (2023). journals.aps.org/prx/abstract/ … 3/PhysRevX.13.041040 . På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.1811.03116

Jonathan Oppenheim et al., Gravitationelt induceret dekohærens vs rum-tidsdiffusion:test af tyngdekraftens kvantenatur, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43348-2. www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af University College London