Pomicanje granica fizike: Revolucionarna nova teorija spaja Einsteinovu gravitaciju s kvantom
Foto: Unsplash
Radikalna teorija koja dosljedno povezuje gravitaciju i kvantnu mehaniku, istovremeno zadržavajući Einsteinov klasični koncept prostor-vremena, predstavljena je u dva istodobno objavljena rada od strane znanstvenika sa Sveučilišta College London (UCL).
Suvremena fizika temelji se na dvije osnovne teorije: kvantnoj teoriji, koja se odnosi na ponašanje najmanjih čestica u svemiru, i Einsteinovoj teoriji opće relativnosti, koja objašnjava gravitaciju putem savijanja prostor-vremena. No, ove dvije teorije su međusobno suprotstavljene i njihovo pomirenje bilo je izazov više od jednog stoljeća.
Dugotrajna pretpostavka bila je da je potrebno izmijeniti ili “kvantizirati” Einsteinovu teoriju gravitacije kako bi se uskladila s kvantnom teorijom. Ovo je pristup koji su slijedila dva vodeća kandidata za kvantnu teoriju gravitacije, teorija struna i kvantna gravitacija u petlji.
Međutim, nova teorija, razvijena od strane profesora Jonathana Oppenheima (UCL Fizika i Astronomija) i predstavljena u članku u časopisu Physical Review X, izaziva ovu konvencionalnu mudrost i predlaže alternativni pristup, sugerirajući da bi prostor-vrijeme moglo ostati klasično, tj. ne bi bilo podložno kvantnoj prirodi.
Umjesto mijenjanja prostor-vremena, teorija nazvana “postkvantna teorija klasične gravitacije” modificira kvantnu teoriju i predviđa inherentni gubitak predvidljivosti posredovan samim prostor-vremenom. To rezultira nasumičnim i nepravilnim fluktuacijama u prostor-vremenu koje su veće od onih predviđenih kvantnom teorijom, čineći prividnu masu objekata nepredvidljivom kada se mjeri s dovoljnom preciznošću.
Drugi rad, također istodobno objavljen u časopisu Nature Communications, koji je vodio bivši student profesora Oppenheima, istražuje neke od posljedica ove teorije i predlaže eksperiment za njezino testiranje: vrlo precizno mjerenje mase kako bi se utvrdilo mijenja li se masa tijekom vremena.
Na primjer, Međunarodni ured za utege i mjere u Francuskoj redovito mjeri masu od 1 kg, koja je ranije bila standard za 1 kg. Ako su fluktuacije u mjerenjima ove mase manje nego što je potrebno za matematičku dosljednost, teorija se može odbaciti.
Rezultat eksperimenta ili drugi dokazi koji bi potvrdili kvantnu prirodu prostor-vremena protiv klasične prirode postali su predmetom oklada između profesora Oppenheima, profesora Carla Rovellija i dr. Geoffa Peningtona, vodećih zagovornika kvantne petlje teorije gravitacije i teorije struna, uz omjer 5000:1.
Tijekom posljednjih pet godina istraživačka skupina UCL-a testirala je ovu teoriju i istraživala njene posljedice.
Profesor Oppenheim izjavio je: “Kvantna teorija i Einsteinova teorija opće relativnosti su matematički nespojive, pa je ključno razumjeti kako se ovaj sukob može riješiti. Trebamo li kvantizirati prostor-vrijeme ili mijenjati kvantnu teoriju ili je potrebno nešto sasvim drugo? Sada, kada imamo dosljednu temeljnu teoriju u kojoj se prostor-vrijeme ne kvantizira, preostaje nam samo nagađati.”
Koautor Zach Weller-Davies, koji je kao doktorat znanosti na UCL-u pomogao razviti eksperimentalni prijedlog i dao ključni doprinos samoj teoriji, izjavio je: “Ovo otkriće dovodi u pitanje naše razumijevanje temeljne prirode gravitacije, ali također nudi puteve za ispitivanje njene potencijalne kvantne prirode.
“Pokazali smo da ako prostor-vrijeme nema kvantnu prirodu, onda moraju postojati nasumične fluktuacije u zakrivljenosti prostor-vremena koje imaju poseban potpis koji se može eksperimentalno potvrditi.
“I u kvantnoj gravitaciji i u klasičnoj gravitaciji, prostor-vrijeme mora prolaziti kroz nasilne i nasumične fluktuacije posvuda oko nas, ali na razini koju još nismo uspjeli otkriti. Ali ako je prostor-vrijeme klasično, fluktuacije moraju biti veće od određene skale, a tu se skalu može odrediti drugim eksperimentom u kojem testiramo koliko dugo možemo staviti težak atom u superpoziciju da bude na dvije različite lokacije.”
Koautori dr. Carla Sparaciarija i dr. Barbare Šoda, čiji su analitički i numerički izračuni doprinijeli vođenju ovog istraživanja, izrazili su nadu da bi ovi eksperimenti mogli pomoći u odlučivanju je li potraga za kvantnom teorijom gravitacije ispravna metoda.
Dr. Šoda (nekadašnja UCL Fizika i Astronomija, sada na Institutu za teorijsku fiziku Perimeter, Kanada) rekla je: “Budući da gravitacija manifestira savijanje prostora i vremena, možemo razmotriti pitanje je li stopa protoka vremena kvantna ili klasična priroda.
“Ispitivanje ovog pitanja gotovo je jednako jednostavno kao ispitivanje konstantnosti mase ili njenih fluktuacija na određeni način.”
Dr. Sparaciari (UCL Fizika i Astronomija) dodao je: “Iako je koncept eksperimenta jednostavan, precizno vaganje objekta mora se izvesti s iznimnom preciznošću.”
No, ono što čini ovu teoriju uzbudljivom je činjenica da, polazeći od vrlo općenitih pretpostavki, možemo postaviti jasan odnos između dviju mjerljivih veličina – razine fluktuacija prostor-vremena i koliko dugo objekti poput atoma ili jabuka mogu biti postavljeni u kvantnu superpoziciju na dvije različite lokacije. Zatim možemo eksperimentalno odrediti ove dvije veličine.”
Weller-Davies dodaje: “Moraju postojati suptilne međuovisnosti ako kvantne čestice poput atoma mogu utjecati na klasično prostor-vrijeme. Mora postojati temeljni kompromis između valne prirode atoma i toga koliko velike moraju biti nasumične fluktuacije u prostor-vremenu.”
Prijedlog da se ispita je li prostor-vrijeme klasično putem traženja nasumičnih fluktuacija mase komplementaran je drugom eksperimentalnom prijedlogu koji ima za cilj provjeriti kvantnu prirodu prostor-vremena putem “gravitacijskog posredovanog ispreplitanja”.
Profesor Sougato Bose (UCL Fizika i Astronomija), koji nije bio uključen u današnju objavu, ali je bio među onima koji su prvi predložili eksperiment isprepletenosti, izjavio je: “Eksperimenti za testiranje prirode prostor-vremena zahtijevat će velike napore, ali su od ogromne važnosti za razumijevanje temeljnih zakona prirode. Vjerujem da su ovi eksperimenti izvedivi i možda ćemo dobiti odgovore u sljedećih 20 godina.”
Postkvantna teorija ima implikacije koje nadilaze područje gravitacije. Problematičan “postulat mjerenja” kvantne teorije više nije potreban, budući da se kvantne superpozicije nužno lokaliziraju kroz njihovu interakciju s klasičnim prostor-vremenom.
Teorija je potaknuta profesorovim Oppenheimovim nastojanjima da riješi problem informacije u crnim rupama. Prema standardnoj kvantnoj teoriji, objekt koji padne u crnu rupu trebao bi na neki način biti vraćen jer informacija ne smije biti uništena. No, to krši opću relativnost koja tvrdi da nikada ne možete znati što se događa s objektima koji prelaze horizont događaja crne rupe. Nova teorija dopušta da informacija bude uništena zbog fundamentalnog gubitka predvidljivosti.
Izvor: geek.hr
