Нова теория обединява гравитацията на Айнщайн с квантовата механика

Ваня Милева Последна промяна на 05 декември 2023 в 00:00 10985 0

Нова теория оспорва основите на съвременната физика, като предполага, че пространство-времето е класическо, а не квантово. Тази теория прогнозира по-големи флуктуации на пространство-времето, оказващи влияние върху масата на обектите. Предложените експери

Кредит AI Dream за НаукаOFFNews
Нова теория оспорва основите на съвременната физика, като предполага, че пространство-времето е класическо, а не квантово. Тази теория прогнозира по-големи флуктуации на пространство-времето, оказващи влияние върху масата на обектите. Предложените експерименти, като измерване на маса от 1 кг за колебания в стойността ѝ, имат за цел да тестват тази новаторска концепция, потенциално революционизираща нашето разбиране за гравитацията и пространство-времето.

Радикална теория, която последователно обединява гравитацията и квантовата механика, като същевременно запазва класическата концепция на Айнщайн за пространство-времето, е обявена на 4 декември 2023 г. в две статии, публикувани едновременно от физици от Университетския колеж в Лондон.

Съвременната физика се основава на два стълба: квантовата теория, от една страна, която управлява най-малките частици във Вселената, и Общата теория на относителността на Айнщайн, от друга, която обяснява гравитацията чрез огъването на пространство-времето. Но тези две теории са в противоречие една с друга и помирението остава неуловимо повече от век.

Нов теоретичен подход

Преобладаващото предположение е, че теорията на Айнщайн за гравитацията трябва да бъде модифицирана или "квантувана", за да се вмести в квантовата теория. Това е подходът на двама водещи кандидати за квантовата теория на гравитацията, струнната теория и примковата квантова гравитация.

Но нова теория, разработена от професор Джонатан Опенхайм (Jonathan Oppenheim) от Университетския колеж в Лондон (UCL) и изложена в нова статия в Physical Review X (PRX), оспорва този консенсус и възприема алтернативен подход, като предполага, че пространство-времето може да е класическо – тоест изобщо да не се управлява от квантовата теория.

Постквантова теория на класическата гравитация Изображението представя експеримент, в който тежки частици (илюстрирани като луни) причиняват интерференчен модел (квантов ефект), като същевременно огъват пространство-времето. Висящите махала изобразяват измерването на пространство-времето. Действителният експеримент обикновено се извършва с помощта на въглерод-60, една от най-големите известни молекули. Изчислението на UCL показва, че експериментът трябва да се извърши и с помощта на атоми с по-висока плътност като злато. Другите две изображения представляват двата експеримента, предложени от групата UCL, като и двата ограничават всяка теория, където пространство-времето се третира класически. Единият е измерване на маса, другият е експеримент с интерференция. Кредит: Isaac Young

Вместо да модифицира пространство-времето, теорията – наречена "постквантова теория на класическата гравитация" – модифицира квантовата теория и прогнозира присъщо разпадане на предвидимостта, което се медиира от самото пространство-време. Това води до случайни и бурни флуктуации в пространство-времето, които са по-големи от предсказаните от квантовата теория, което прави видимото тегло на обектите непредсказуемо, ако се измерват достатъчно точно.

От чисто математическа гледна точка теорията на Айнщайн за гравитацията и квантовата механика изглеждат несъвместими, но с новата теория изглежда има пробив, и при това може да бъде проверена.

Теорията изглежда може да измери две неща от двете страни с експерименти, величината на флуктуациите на пространство-времето, от една страна, и колко дълго обекти като атоми (или котки) могат да бъдат поставени в квантова суперпозиция от две различни места на друго.

Експериментални тестове и теоретични последици

Втора статия, публикувана едновременно в Nature Communications и водена от бивши докторанти на професор Опенхайм, разглежда някои от последствията от теорията, и предлага експеримент, който да я тества: да се измери масата много точно, за да се види дали стойността й варира с течение на времето.

Например Международното бюро за мерки и теглилки във Франция рутинно претегля маса от 1 кг, която преди бе стандартът от 1 кг. Ако колебанията в измерванията на тази маса от 1 кг са по-малки от необходимите за математическа последователност, теорията може да бъде изключена.

Прецизно измерване на масата Измерването на маса - експеримент, предложен от групата на UCL, който ограничава всяка теория, където пространство-времето се третира класически. Кредит: Isaac Young

Резултатът от експеримента или друго появяващо се доказателство, което би потвърдило квантовата срещу класическата природа на пространство-времето, е предмет на залог с шансове 5000:1 между професор Опенхайм и професор Карло Ровели (Carlo Rovelli) и д-р Джеф Пенингтън (Geoff Penington) – водещи привърженици на квантовата примкова гравитация и съответно теорията на струните.

Петгодишно проучване на екипа от Университетския колеж в Лондон

През последните пет години изследователската група от UCL тества теорията и изследва последствията от нея.

"Квантовата теория и Общата теория на относителността на Айнщайн са математически несъвместими една с друга, така че е важно да разберем как се разрешава това противоречие. Трябва ли пространство-времето да се квантува, или трябва да се модифицираме квантовата теория, или е нещо съвсем друго? Сега, когато имаме последователна фундаментална теория, в която пространство-времето не се квантува, няма нужда да се гадае", коментира професор Опенхайм.

Съавторът Зак Уелър-Дейвис (Zach Weller-Davies), който като докторант в UCL помага за разработването на експериментите и има ключов принос към самата теория, обяснява: "Това откритие е предизвикателство към нашето разбиране за фундаменталната природа на гравитацията, но също така предлага пътища за изследване на нейната потенциална квантова природа.

"Ние показахме, че ако пространство-времето няма квантова природа, тогава трябва да има случайни колебания в кривината на пространство-времето, които имат определена сигнатура, която може да бъде потвърдена експериментално."

"Както в квантовата гравитация, така и в класическата гравитация, пространство-времето трябва да претърпява бурни и произволни флуктуации навсякъде около нас, но в мащаб, който все още не сме успели да открием. Но ако пространство-времето е класическо, флуктуациите трябва да са по-големи от определен мащаб и този мащаб може да бъде определен чрез друг експеримент, при който тестваме колко дълго можем да поставим тежък атом в суперпозиция на две различни местоположения."

Квантови и класически системи

Цялата материя във Вселената се подчинява на законите на квантовата теория, но можем да наблюдаваме квантово поведение само в мащаба на атомите и молекулите. Квантовата теория ни казва, че частиците се подчиняват на принципа на неопределеността на Хайзенберг и никога не можем да знаем тяхната позиция или скорост едновременно. Всъщност те дори нямат определена позиция или скорост, докато не бъдат измерени. Частици като електрони могат да се държат повече като вълни и да действат почти така, сякаш могат да бъдат на много места едновременно (по-точно, физиците описват частиците като намиращи се в "суперпозиция" на различни места).

Квантовата теория управлява всичко - от полупроводниците, които са навсякъде в компютърните чипове, до лазерите, през свръхпроводимостта до радиоактивния разпад.

За разлика от квантовата, една система е класическа, ако има определени основни свойства. Една котка изглежда се държи класически – тя е или мъртва, или жива, не и двете, нито е в суперпозиция на мъртва и жива. Защо котките се държат класически, а малките частици квантово? Не знаем, но постквантовата теория не изисква постулата за измерване, тъй като класическото пространство-време заразява квантовите системи и ги кара да се локализират.

Принос и прозрения от съавтори

Съавторите д-р Карло Спарачари (Carlo Sparaciari) и д-р Барбара Шода (Barbara Šoda), чиито анализ и изчисления помагат за проекта, изразяват надежда, че тези експерименти могат да определят дали преследването на квантова теория на гравитацията е правилният подход.

"Тъй като гравитацията се проявява чрез огъване на пространството и времето, можем да мислим за въпроса по отношение на това дали скоростта при което времето тече има квантова природа или класическа природа", отбелязва д-р Шода.

"И тестването на това е почти толкова просто, колкото тестването дали масата е постоянна или изглежда, че се колебае по определен начин."

"Въпреки че експерименталната концепция е проста, претеглянето на обекта трябва да се извърши с изключителна прецизност", подчертава д-р Спарачари.

"Но вълнуващо е, че започвайки от много общи предположения, можем да докажем ясна връзка между две измерими величини – мащабът на флуктуациите на пространство-времето и колко дълго обекти като атоми или ябълки могат да бъдат поставени в квантова суперпозиция на две различни места. След това можем да определим тези две количества експериментално."

"Трябва да съществува деликатно взаимодействие, ако квантовите частици като атомите са в състояние да огъват класическото пространство-време. Трябва да има фундаментален компромис между вълновата природа на атомите и колко големи трябва да бъдат случайните флуктуации в пространство-времето", добавя Зак Уелър-Дейвис.

Гравитация

Теорията на Нютон за гравитацията отстъпи място на Общата теория на относителността (ОТО) на Айнщайн, която твърди, че гравитацията не е сила в обичайния смисъл. Вместо това тежки обекти като Слънцето огъват тъканта на пространство-времето по такъв начин, че кара земята да се върти около него. Пространство-времето е просто математически обект, състоящ се от трите измерения на пространството и времето, считано за четвърто измерение. Общата теория на относителността предсказа образуването на черни дупки и Големия взрив. Смята се, че времето тече с различна скорост в различни точки в пространството и GPS-ът във вашия смартфон трябва да отчете това, за да определи правилно местоположението ви.

По-широки последици и бъдещи експерименти

Предложението да се тества дали пространство-времето е класическо чрез търсене на произволни флуктуации в масата е допълнение към друго експериментално предложение, което има за цел да провери квантовата природа на пространство-времето чрез търсене на нещо, наречено "опосредствано от гравитацията вплитане" (гравитационно медиирано вплитане) - вплитане чрез гравитация.

Професор Сугато Бозе (Sougato Bose) от UCL, който не участва в проекта, но е сред тези, които първи предлагат експеримент с вплитане, посочва:

"Експериментите за тестване на природата на пространство-времето ще изискват мащабни усилия, но те са от огромно значение от гледна точка на разбирането на основните закони на природата. Вярвам, че тези експерименти са наблизо – тези неща са трудни за прогнозиране, но може би ще знаем отговора през следващите 20 години."

Тази постквантова теория има последици отвъд гравитацията. Проблематичният "постулат за измерването" на квантовата теория не е необходим, тъй като квантовите суперпозиции задължително се локализират чрез тяхното взаимодействие с класическото пространство-време.

Постулатът за измерването се състои в това, че ако измерваме квантова система, можем да получим само една от стойностите на измерената наблюдаема величина, като позиция, енергия и т.н., и то с вероятност. Веднага след измерването системата незабавно ще колапсира в съответното собствено състояние.

Теорията е мотивирана от опита на професор Опенхайм да разреши информационния проблем с черната дупка. Според стандартната квантова теория обект, влизащ в черна дупка, трябва да бъде излъчен обратно по някакъв начин, тъй като информацията не може да бъде унищожена, но това нарушава Общата теория на относителността, според която нищо не може да се знае за обектите, които пресичат хоризонта на събитията на черната дупка. Новата теория позволява информацията да бъде унищожена поради фундаментално нарушение на предсказуемостта.

Рамката, представена от Опенхайм в PRX и в придружаваща статия със Sparaciari, Šoda и Weller-Davies, извлича най-общата последователна форма на динамика, в която една квантова система взаимодейства с класическа система. След това прилага тази концепция към случая на Общата теория на относителността, свързана с квантовата теория на полето. Тя се основава на по-ранни разработки на други физици, но досега не бе намерена последователна теория.

Справка:

  1. “A postquantum theory of classical gravity”, Jonathan Oppenheim, 4 December 2023, Physical Review X
  2. Oppenheim, J., Sparaciari, C., Šoda, B. et al. Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity. Nat Commun 14, 7910 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43348-2 

Източник: Reimagining the Cosmos: New Theory Unites Einstein’s Gravity With Quantum Mechanics, University College London

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !