In de huidige kwantumveldentheorie, causaliteit wordt typisch gedefinieerd door het verdwijnen van veldcommutators voor ruimteachtige scheidingen. Twee onderzoekers van de Universiteit van Massachusetts en Universidade Federal Rural in Rio de Janeiro hebben onlangs een studie uitgevoerd waarin enkele van de belangrijkste aspecten van causaliteit in de kwantumveldentheorie worden besproken en gesynthetiseerd. hun papier, gepubliceerd in Physical Review Letters, is het resultaat van hun onderzoek naar een theorie van kwantumzwaartekracht die gewoonlijk 'kwadratische zwaartekracht' wordt genoemd.

"Net als de ingrediënten van het standaardmodel, kwadratische zwaartekracht is een renormaliseerbare kwantumveldentheorie, maar het heeft een aantal bijzondere eigenschappen, "John Donoghue, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "De kleine schending van causaliteit is de belangrijkste hiervan en ons doel was om dit beter te begrijpen. In het proces, we realiseerden ons dat sommige inzichten van meer algemeen belang zijn en we besloten om ons begrip te schrijven als een Physical Review Letter, om deze inzichten breder te delen."

Het artikel geschreven door Donoghue en zijn collega Gabriel Menezes synthetiseert veel verschillende aspecten van causaliteit die al tientallen jaren deel uitmaken van de kwantumveldentheorie. Het besef dat er microscopische schendingen van causaliteit kunnen zijn in bepaalde theorieën dateert uit de jaren zestig, specifiek voor het werk van natuurkundigen T.D. Lee en G.C. Lont. In hun studie hebben echter, Donoghue en Menezes lieten zich ook inspireren door een recentere studie van Donal O'Connell, Benjamin Grinstein en Mark B. Wise.

Tot dusver, de meeste theoretische discussies over causaliteit, specifiek de "pijl van de tijd, hebben beweerd dat de wetten van de fysica geen voorkeur hebben voor het stromen van de tijd. deze specifieke aanname is niet van toepassing op de kwantumfysica, waar een richting voor causale effecten aanwezig is.

"De verschillende factoren van l in de kwantiseringsprocedures zijn gerelateerd aan de richting van causale actie, wat leidt tot de 'pijl van causaliteit' in de kwantumfysica, " legde Donoghue uit. "Dit verband wordt niet vaak besproken."

Donoghue en Menezes waren geïntrigeerd door het feit dat het macroscopische gevoel van causaliteit, die ook van toepassing is op de klassieke natuurkunde, is te wijten aan de onderliggende structuur van de kwantumtheorie. In hun recente krant ze onderzochten dus dit specifieke aspect van causaliteit verder, om inzicht te krijgen in de betekenis en implicaties ervan.

"Het idee dat er binnen dezelfde theorie duellerende pijlen van causaliteit kunnen zijn, is zelfs nog onduidelijker, "Zei Donoghue. "Echter, het gebeurt in een heel eenvoudige setting waar de Lagrangiaan voor de theorie meer bevoegdheden heeft om af te leiden dan normaal. Dit is wat er gebeurt in kwadratische zwaartekracht, maar het zou ook in andere theorieën kunnen gebeuren."

Hoewel de richting van causale invloed een conventie is die verband houdt met de keuze van een beschrijving van de tijdmeting, het bestaan ​​ervan is een noodzakelijke vereiste op basis van de wetten van de kwantumfysica. In deze context, Donoghue en Menezes merkten op dat de pijl van causaliteit mogelijk kan worden geschonden door tegenstrijdige conventies te hebben.

"Misschien is de belangrijkste implicatie van onze studie dat we bewijs hebben verzameld van causale onzekerheid als gevolg van ruimtetijdfluctuaties die kunnen optreden in een kwantumtheorie van zwaartekracht, "Zei Menezes. "Dit zou ons een diep intuïtief begrip van de oorsprong van causaliteit verschaffen."

Ongeveer een decennium geleden, O'Connell, Grinstein en Wise deden een onderzoek dat mede was gebaseerd op een serie lezingen van Sidney Coleman. Ze suggereerden specifiek dat in een golfpakketbeschrijving van een verstrooiingsproces met gemengde causale pijlen, men kan verifiëren dat de vervalproducten eerder kunnen worden gedetecteerd dan vanaf het moment van productie zou worden verwacht en de bijbehorende detectiekans neemt exponentieel achteruit in de tijd af. In hun studie hebben Donoghue en Menezes onderzochten dit idee verder.

"Een implicatie van onze studie is dat hoewel de ideeën van O'Connell en zijn collega's, evenals andere onderzoeksteams, in principe kan worden waargenomen, er is geen conflict met experimenten in het geval van zwaartekracht, aangezien het fenomeen optreedt bij energieën van de orde van de Planck-schaal, die 15 ordes van grootte groter is dan het energiebereik dat toegankelijk is voor de LHC, ', zegt Menezes.

De recente studie van Donoghue en Menezes biedt een algemene en waardevolle discussie over causaliteit en de pijl van causaliteit, specifiek gericht op hoe een bepaalde theorie zowel voorwaartse als achterwaartse pijlen kan hebben. Deze discussie raakt aan het onderwerp van tijdomkering in de veldentheorie, dus het zou een verscheidenheid aan natuurkundestudies kunnen informeren. Het kan ook helpen om de kwantumtheorie van kwadratische zwaartekracht te verduidelijken, die nog veel onbeantwoorde vragen heeft.

Algemeen, Donoghue en Menezes suggereren dat gemengde conventies in individuele natuurkundige theorieën in feite mogelijk zouden kunnen zijn en dat toekomstige studies dit onderwerp verder zouden moeten onderzoeken. De onderzoekers werken nu aan een project dat gericht is op het volledig onderzoeken van het fenomeen causaliteitsonzekerheid als gevolg van kwantumfluctuaties van het zwaartekrachtveld.

"Er zijn enkele andere technische overwegingen die we moeten aanpakken met betrekking tot deze beschrijving van kwantumzwaartekracht als een renormaliseerbare kwantumveldentheorie, "Zei Menezes. "Een daarvan betreft de stabiliteit van kwadratische zwaartekracht in gebogen achtergronden, die al door andere auteurs is bestudeerd. Hopelijk zullen deze ook deel uitmaken van dit toekomstige werk. In elk geval, het meest intrigerende onderzoek dat we hopen uit te voeren, is de studie van het effect van de causale onzekerheid in het vroege heelal."

© 2019 Wetenschap X Netwerk