En radikal teori som konsekvent förenar gravitation och kvantmekanik samtidigt som Einsteins klassiska begrepp om rumtid bevaras har tillkännagivits i två artiklar publicerade samtidigt av UCL (University College London) fysiker.
Modern fysik bygger på två pelare:å ena sidan kvantteorin, som styr de minsta partiklarna i universum, och Einsteins allmänna relativitetsteori å den andra, som förklarar gravitationen genom rumtidens böjning. Men dessa två teorier står i motsättning till varandra och en försoning har förblivit svårfångad i över ett sekel.
Det rådande antagandet har varit att Einsteins gravitationsteori måste modifieras, eller "kvantiseras", för att passa in i kvantteorin. Detta är tillvägagångssättet för två ledande kandidater för en kvantteori om gravitation, strängteori och loop-kvantgravitation.
Men en ny teori, utvecklad av professor Jonathan Oppenheim (UCL Physics &Astronomy) och presenterad i en artikel i Physical Review X, utmanar denna konsensus och tar ett alternativt tillvägagångssätt genom att antyda att rumtiden kan vara klassisk – det vill säga inte styrs av kvantteori alls.
Istället för att modifiera rumtiden, modifierar teorin – kallad en "postkvantteori om klassisk gravitation" – kvantteorin och förutsäger en inneboende sammanbrott i förutsägbarhet som förmedlas av rumtiden själv. Detta resulterar i slumpmässiga och våldsamma fluktuationer i rumtiden som är större än vad som förutsetts under kvantteorin, vilket gör objektens skenbara vikt oförutsägbar om den mäts tillräckligt exakt.
En andra artikel, publicerad samtidigt i Nature Communications och leds av professor Oppenheims tidigare Ph.D. studenter, tittar på några av konsekvenserna av teorin och föreslår ett experiment för att testa den:att mäta en massa mycket exakt för att se om dess vikt verkar fluktuera över tiden.
Till exempel väger den internationella byrån för vikter och mått i Frankrike rutinmässigt en vikt på 1 kg, vilket brukade vara standarden på 1 kg. Om fluktuationerna i måtten på denna 1 kg massa är mindre än vad som krävs för matematisk konsistens, kan teorin uteslutas.
Resultatet av experimentet, eller andra bevis som dyker upp som skulle bekräfta rumtidens kvantitet kontra klassisk karaktär, är föremål för en oddssatsning på 5000:1 mellan professor Oppenheim och professor Carlo Rovelli och Dr. Geoff Penington – ledande förespråkare för kvantloop gravitation respektive strängteori.
Under de senaste fem åren har UCL-forskargruppen stresstestat teorin och utforskat dess konsekvenser.
Professor Oppenheim sa:"Kvantumteori och Einsteins allmänna relativitetsteori är matematiskt oförenliga med varandra, så det är viktigt att förstå hur denna motsägelse löses. Bör rumtiden kvantiseras, eller ska vi modifiera kvantteorin, eller är det något helt annat? Nu när vi har en konsekvent grundläggande teori där rymdtiden inte kvantiseras, är det någons gissning."
Medförfattare Zach Weller-Davies, som som Ph.D. Student vid UCL hjälpte till att utveckla det experimentella förslaget och gav viktiga bidrag till själva teorin, sa:"Denna upptäckt utmanar vår förståelse av gravitationens grundläggande natur men erbjuder också vägar att undersöka dess potentiella kvantnatur."
"Vi har visat att om rymdtiden inte har en kvantnatur, så måste det finnas slumpmässiga fluktuationer i rumtidens krökning som har en speciell signatur som kan verifieras experimentellt.
"I både kvantgravitation och klassisk gravitation måste rymdtiden genomgå våldsamma och slumpmässiga fluktuationer runt omkring oss, men i en skala som vi ännu inte har kunnat upptäcka. Men om rumtiden är klassisk måste fluktuationerna vara större än en viss skala, och denna skala kan bestämmas genom ett annat experiment där vi testar hur länge vi kan lägga en tung atom i överlagring av att vara på två olika platser."
Medförfattarna Dr Carlo Sparaciari och Dr Barbara Šoda, vars analytiska och numeriska beräkningar hjälpte till att vägleda projektet, uttryckte hopp om att dessa experiment skulle kunna avgöra om strävan efter en kvantteori om gravitation är rätt tillvägagångssätt.
Dr. Šoda (tidigare UCL Physics &Astronomy, nu vid Perimeter Institute of Theoretical Physics, Kanada) sa:"Eftersom gravitationen manifesteras genom böjningen av rum och tid, kan vi tänka på frågan i termer av om hastigheten vid vilken tid som flyter har en kvantnatur, eller klassisk natur.
"Och att testa detta är nästan lika enkelt som att testa om vikten av en massa är konstant eller verkar fluktuera på ett visst sätt."
Dr. Sparaciari (UCL Physics &Astronomy) sa:"Även om det experimentella konceptet är enkelt, måste vägningen av föremålet utföras med extrem precision.
"Men det jag tycker är spännande är att med utgångspunkt från mycket allmänna antaganden kan vi bevisa ett tydligt samband mellan två mätbara storheter - skalan på rumtidsfluktuationerna och hur länge objekt som atomer eller äpplen kan placeras i kvantöverlagring av två olika platser . Vi kan sedan bestämma dessa två kvantiteter experimentellt."
Weller-Davies tillade, "Ett känsligt samspel måste existera om kvantpartiklar som atomer kan böja klassisk rymdtid. Det måste finnas en grundläggande avvägning mellan atomernas vågnatur och hur stora de slumpmässiga fluktuationerna i rymdtiden måste vara ."
Förslaget att testa om rymdtiden är klassisk genom att leta efter slumpmässiga fluktuationer i massan är ett komplement till ett annat experimentellt förslag som syftar till att verifiera rymdtidens kvantkaraktär genom att leta efter något som kallas "gravitationellt medierad intrassling."
Professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy), som inte var involverad i tillkännagivandet idag, men var bland dem som först föreslog intrasslingsexperimentet, sa:"Experiment för att testa rymdtidens natur kommer att kräva en storskalig ansträngning, men de Jag tror att dessa experiment är inom räckhåll – de här sakerna är svåra att förutse, men kanske kommer vi att veta svaret inom de kommande 20 åren.
Postkvantteorin har implikationer bortom gravitationen. Kvantteorins ökända och problematiska "mätpostulat" behövs inte, eftersom kvantöverlagringar nödvändigtvis lokaliseras genom sin interaktion med klassisk rumtid.
Teorin motiverades av professor Oppenheims försök att lösa det svarta hålets informationsproblem. Enligt standard kvantteorin ska ett föremål som går in i ett svart hål strålas tillbaka ut på något sätt eftersom information inte kan förstöras, men detta bryter mot den allmänna relativitetsteorin, som säger att man aldrig kan veta om föremål som korsar det svarta hålets händelsehorisont. Den nya teorin tillåter att information förstörs på grund av ett fundamentalt sammanbrott i förutsägbarheten.
Mer information: En postkvantteori om klassisk gravitation?, 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, Gravitationsinducerad dekoherens vs rum-tidsdiffusion:testning av gravitationens kvantnatur, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43348-2. www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av University College London
