När de studerar ett komplext system identifierar forskare mindre bitar som kallas delsystem som de kan förstå. Genom att studera delsystem och sambanden mellan dem rekonstruerar de en förståelse av helheten.

Detta tillvägagångssätt har använts med stor framgång för att förklara fenomen och utveckla tillämpningar baserade på kvantmekanik – materiens och energins fysik i atomens skala eller mindre. Men den beskriver till stor del system som fungerar i en värld där tiden är absolut.

Det faller kort när man beskriver scenarier som tar hänsyn till Einsteins allmänna relativitetsteori, där tiden är relativ och tätt sammanvävd med rymden till en fyrdimensionell rumtid.

Nu föreslår en teoretisk studie, medförfattare av Alexander Smith, adjungerad biträdande professor i fysik, och Shadi Ali Ahmad '22, ett nytt ramverk för att identifiera delsystem och korrelationer på ett sätt som är förenligt med allmän relativitet.

Deras arbete kan användas för att konstruera en kvantbeskrivning av rumtid, säger Smith. Teoretiska fysiker har länge strävat efter att kombinera kvantmekanik och allmän relativitet till den förenade teorin om kvantgravitation. Försök att äntligen förena dessa fundamentalt olika teorier som beskriver universum har utvecklats under de senaste två decennierna.

Det nya ramverket, publicerat i april i Physical Review Letters journal, bygger på tidigare arbete om delsystem av James Frank Family Professor of Physics Lorenza Viola och hennes medarbetare.

"Kvantmekaniken tillåter korrelationer som inte är förenliga med vår klassiska förståelse av världen", säger Smith. Viola och hennes medarbetare gav oss ett nytt sätt att tänka kring dessa udda kvantkorrelationer, säger han. I deras ramverk, istället för att ha sammansatta byggnadsdelar som limmas ihop till ett större system, uppstår delsystemen från det komplexa systemet baserat på de typer av mätningar som man kan göra.

Smith, Ahmad och deras medarbetare tillämpar denna idé för att bygga ett ramverk för att identifiera delsystem, vilket är förenligt med relativitetsteorin, och finner att uppfattningen om delsystemet inte längre är objektiv.

"Sättet vi delar upp ett system på är också relativt. Det beror på vem som tittar på det", säger Smith. Medan deras metod för närvarande gäller för enkla system, arbetar författarna med att generalisera ramverket.

Flera teoretiska begrepp som driver den framväxande förståelsen av kvantgravitation har sitt ursprung i kvantinformationsteori - ett relativt nytt fält som studerar hur information i ett kvantsystem kan analyseras och manipuleras. "Kvantinformationsvetenskap har gett oss detta helt nya sätt att tänka på själva kvantmekaniken", säger Smith.

Tillsammans med Smith och andra forskare har Ahmad, som är från Beirut, Libanon, och med huvudämne i fysik och matematik, använt kvantinformationsteori för att studera ett antal olika teoretiska problem.

I tidigare arbete, publicerat i Physical Review D , de var de första som undersökte hur gravitationsvågor – krusningar i rymdtiden som orsakas när massiva astronomiska objekt accelererar till extrema nivåer – påverkar intrassling mellan system.

Ett annat projekt, publicerat i Physical Review A , tar itu med frågan om hur arbete – måttet på hur mycket energi som överförs när en kraft verkar på ett objekt – kan definieras på kvantskalan.

Smith säger att Ahmad är en av de mest drivna att lära, hårt arbetande och produktiva eleverna han har mött. "Att se Shadi utveckla sin förmåga inom teoretisk fysik under de senaste fyra åren har varit mycket givande", säger han.

Ahmad vann 2022 Gazzaniga Family Science Award, som erkänner vetenskapliga prestationer av en examen senior inom naturvetenskap. Han är också mottagare av lärostolens pris för fysik och astronomi.

"Kvantinformationsteori är en verktygslåda som jag gillar att låna från och använda brett", säger Ahmad. Löftet om tillgång till forskningsmöjligheter och finansiering på grundnivå var det som drog honom till Dartmouth, säger han. Nu är en forskare vid Dartmouth, Ahmad avslutar pågående projekt när han förbereder sig för att ansöka till forskarutbildningen.

Med lektioner som språngbräda sökte han forskningsmentorer på fysik- och matematikavdelningarna, och samarbetade med dem om ett brett spektrum av forskningsämnen.

"Att prata om vetenskap med människor formar hur du tänker", säger Ahmad, som redan har tre publikationer bakom sig. "Jag tror att det verkligen skärper ditt intresse." + Utforska vidare

Förklara gravitation utan strängteori