Bij het bestuderen van een complex systeem identificeren wetenschappers kleinere stukjes die subsystemen worden genoemd en die ze kunnen begrijpen. Door subsystemen en de correlaties daartussen te bestuderen, reconstrueren ze een begrip van het geheel.

Deze benadering is met groot succes gebruikt om verschijnselen te verklaren en toepassingen te ontwikkelen op basis van kwantummechanica - de fysica van materie en energie op de schaal van het atoom of kleiner. Maar het beschrijft grotendeels systemen die werken in een wereld waar tijd absoluut is.

Het schiet tekort bij het beschrijven van scenario's die rekening houden met Einsteins algemene relativiteitstheorie, waarin tijd relatief is en nauw verweven met ruimte tot een vierdimensionale ruimtetijd.

Nu stelt een theoretische studie, mede geschreven door Alexander Smith, adjunct-assistent-professor natuurkunde, en Shadi Ali Ahmad '22, een nieuw raamwerk voor om subsystemen en correlaties te identificeren op een manier die compatibel is met de algemene relativiteitstheorie.

Hun werk kan worden toegepast bij het construeren van een kwantumbeschrijving van ruimtetijd, zegt Smith. Theoretische natuurkundigen streven er al lang naar om kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie te combineren in de verenigde theorie van kwantumzwaartekracht. Pogingen om deze fundamenteel verschillende theorieën die het universum beschrijven eindelijk met elkaar te verzoenen, hebben de afgelopen twee decennia vooruitgang geboekt.

Het nieuwe raamwerk, gepubliceerd in april in de Physical Review Letters journal, bouwt voort op eerder werk over subsystemen door de James Frank Family Professor of Physics Lorenza Viola en haar medewerkers.

"De kwantummechanica maakt correlaties mogelijk die niet consistent zijn met ons klassieke begrip van de wereld", zegt Smith. Viola en haar medewerkers gaven ons een nieuwe manier om over deze eigenzinnige kwantumcorrelaties na te denken, zegt hij. In hun raamwerk, in plaats van samengestelde bouwdelen die aan elkaar zijn gelijmd tot een groter systeem, komen de subsystemen voort uit het complexe systeem op basis van het soort metingen dat men kan doen.

Smith, Ahmad en hun medewerkers passen dit idee toe om een ​​raamwerk te bouwen voor het identificeren van subsystemen, dat consistent is met de relativiteitstheorie, en ontdekken dat het idee van het subsysteem niet langer objectief is.

"De manier waarop we een systeem partitioneren is ook relatief. Het hangt af van wie ernaar kijkt", zegt Smith. Hoewel hun methode momenteel van toepassing is op eenvoudige systemen, werken de auteurs aan het veralgemenen van het raamwerk.

Verschillende theoretische concepten die het opkomende begrip van kwantumzwaartekracht stimuleren, vinden hun oorsprong in de kwantuminformatietheorie - een relatief nieuw veld dat bestudeert hoe informatie in een kwantumsysteem kan worden geanalyseerd en gemanipuleerd. "De kwantuminformatiewetenschap heeft ons een geheel nieuwe manier van denken over de kwantummechanica zelf gegeven", zegt Smith.

In samenwerking met Smith en andere onderzoekers heeft Ahmad, die uit Beiroet, Libanon komt en als hoofdvak natuurkunde en wiskunde studeerde, de kwantuminformatietheorie gebruikt om een ​​aantal verschillende theoretische problemen te bestuderen.

In eerder werk, gepubliceerd in Physical Review D , waren zij de eersten die onderzochten hoe zwaartekrachtsgolven - rimpelingen in de ruimtetijd die worden veroorzaakt wanneer massieve astronomische objecten tot extreme niveaus versnellen - de verstrengeling tussen systemen beïnvloeden.

Een ander project, gepubliceerd in Physical Review A , behandelt de vraag hoe werk - de maat voor hoeveel energie wordt overgedragen wanneer een kracht op een object inwerkt - kan worden gedefinieerd op de kwantumschaal.

Smith zegt dat Ahmad een van de meest leergierige, hardwerkende en productieve studenten is die hij is tegengekomen. "Het was zeer de moeite waard om Shadi de afgelopen vier jaar zijn vaardigheden op het gebied van theoretische natuurkunde te zien ontwikkelen", zegt hij.

Ahmad won de Gazzaniga Family Science Award 2022, die de wetenschappelijke prestatie van een afstuderende senior in de wetenschappen erkent. Hij is ook de ontvanger van de Physics and Astronomy Chair's Prize.

"Kwantuminformatietheorie is een gereedschapskist die ik graag leen en breed gebruik", zegt Ahmad. De belofte van toegang tot niet-gegradueerde onderzoeksmogelijkheden en financiering was wat hem naar Dartmouth trok, zegt hij. Ahmad is nu een research fellow bij Dartmouth en rondt lopende projecten af ​​terwijl hij zich voorbereidt om zich aan te melden voor afstudeerprogramma's.

Met lessen als springplank zocht hij onderzoeksmentoren op de afdelingen natuurkunde en wiskunde, en werkte met hen samen aan een breed scala aan onderzoeksonderwerpen.

"Praten over wetenschap met mensen vormt de manier waarop je denkt", zegt Ahmad, die al drie publicaties op zijn naam heeft staan. "Ik denk dat het je interesse echt scherpt." + Verder verkennen

Zwaartekracht uitleggen zonder snaartheorie