I nuvarande kvantfältteori, kausalitet definieras typiskt genom att fältkommutatorer försvinner för rymdliknande separationer. Två forskare vid University of Massachusetts och Universidade Federal Rural i Rio de Janeiro har nyligen genomfört en studie som diskuterar och syntetiserar några av nyckelaspekterna av kausalitet i kvantfältteorin. Deras papper, publicerad i Physical Review Letters, är resultatet av deras undersökning av en teori om kvantgravitation som vanligtvis kallas "kvantgravitation".

"Som ingredienserna i standardmodellen, kvadratisk gravitation är en renormaliserbar kvantfältteori, men det har några speciella egenskaper, "John Donoghue, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Den lilla kränkningen av kausalitet är den viktigaste av dessa och vårt mål var att förstå detta bättre. I processen, vi insåg att några av insikterna är av mer allmänt intresse och vi bestämde oss för att skriva vår förståelse som ett fysiskt granskningsbrev, att dela dessa insikter mer allmänt."

Uppsatsen skriven av Donoghue och hans kollega Gabriel Menezes syntetiserar många olika aspekter av kausalitet som har varit en del av kvantfältteorin i flera decennier nu. Insikten om att det kan finnas mikroskopiska kränkningar av kausalitet i vissa teorier går tillbaka till 1960-talet, specifikt till arbetet av fysikerna T.D. Lee och G.C. Veke. I deras studie, dock, Donoghue och Menezes hämtade också inspiration från en nyare studie utförd av Donal O'Connell, Benjamin Grinstein och Mark B. Wise.

Än så länge, mest teoretiska diskussioner om kausalitet, specifikt "tidens pil, " har hävdat att fysikens lagar inte har någon preferens för tidens flöde. detta specifika antagande är inte tillämpligt på kvantfysik, där en riktning för orsakseffekter finns.

"De olika faktorerna i i kvantiseringsprocedurerna är relaterade till riktningen för orsaksverkan, vilket leder till "kausalitetens pil" i kvantfysiken, Donoghue förklarade. "Denna koppling diskuteras inte särskilt ofta."

Donoghue och Menezes var fascinerade av det faktum att den makroskopiska känslan av kausalitet, som också är tillämplig på klassisk fysik, beror på kvantteorins underliggande struktur. I deras senaste tidning, de undersökte därför denna speciella aspekt av kausalitet ytterligare, för att få insikt om dess innebörd och implikationer.

"Tanken att det kan finnas duellerande kausalitetspilar inom samma teori är ännu mer oklar, " sa Donoghue. "Men, det händer i en mycket enkel miljö där Lagrangian för teorin har mer krafter av derivator än vanligt. Detta är vad som händer i kvadratisk gravitation, men det kan också hända i andra teorier också."

Även om riktningen för orsakspåverkan är en konvention förknippad med valet av en beskrivning av tidsmätningen, dess existens är ett nödvändigt krav baserat på kvantfysikens lagar. I detta sammanhang, Donoghue och Menezes observerade att kausalitetspilen potentiellt kan kränkas genom att ha motstridiga konventioner.

"Den kanske viktigaste implikationen av vår studie är att vi samlade bevis på orsaksosäkerhet på grund av rumtidsfluktuationer som kan uppstå i en kvantteori om gravitation, Menezes sa. "Detta skulle ge oss en djup intuitiv förståelse av orsaken till kausalitet."

För ungefär ett decennium sedan, O'Connell, Grinstein och Wise genomförde en studie som delvis baserades på en serie föreläsningar av Sidney Coleman. De föreslog specifikt att i en vågpaketbeskrivning av en spridningsprocess med blandade orsakspilar, man kan verifiera att sönderfallsprodukterna kan detekteras tidigare än vad man kan förvänta sig från produktionstillfället och den tillhörande sannolikheten för upptäckt minskar exponentiellt bakåt i tiden. I deras studie, Donoghue och Menezes undersökte denna idé ytterligare.

"En implikation av vår studie är att även om de idéer som lagts fram av O'Connell och hans kollegor, såväl som andra forskarlag, kunde i princip observeras, det finns ingen konflikt med experiment när det gäller gravitation eftersom fenomenet inträffar vid energier av ordning på Planck-skalan, som är 15 storleksordningar större än energiområdet som är tillgängligt för LHC, sa Menezes.

Den senaste studien av Donoghue och Menezes erbjuder en allmän och värdefull diskussion om kausalitet och kausalitetspilen, specifikt med fokus på hur en given teori kan ha både framåt- och bakåtpilar. Denna diskussion berör ämnet tidsomkastning i fältteori, så det kan informera en mängd olika fysikstudier. Det kan också hjälpa till att klargöra kvantteorin om kvadratisk gravitation, som fortfarande har många obesvarade frågor.

Övergripande, Donoghue och Menezes föreslår att blandade konventioner i individuella fysikteorier faktiskt kan vara möjliga och att framtida studier bör utforska detta ämne ytterligare. Forskarna arbetar nu med ett projekt som syftar till att helt utforska fenomenet kausalitetsosäkerhet på grund av kvantfluktuationer i gravitationsfältet.

"Det finns några andra tekniska överväganden som vi måste ta itu med angående denna beskrivning av kvantgravitation som en renormaliserbar kvantfältteori, Menezes sa. "En av dem gäller stabiliteten av kvadratisk gravitation i krökta bakgrunder, som redan har studerats av andra författare. Förhoppningsvis blir dessa också en del av detta framtida arbete. Hur som helst, den mest spännande undersökningen vi hoppas kunna genomföra kommer att vara studien av effekten av den kausala osäkerheten i det tidiga universum."

© 2019 Science X Network