Een radicale theorie die op consistente wijze de zwaartekracht en de kwantummechanica verenigt en tegelijkertijd Einsteins klassieke concept van ruimtetijd behoudt, is aangekondigd in twee artikelen die gelijktijdig zijn gepubliceerd door natuurkundigen van de UCL (University College London).

De moderne natuurkunde is gebaseerd op twee pijlers:aan de ene kant de kwantumtheorie, die de kleinste deeltjes in het universum regelt, en Einsteins algemene relativiteitstheorie aan de andere kant, die de zwaartekracht verklaart door de verbuiging van de ruimtetijd. Maar deze twee theorieën zijn in tegenspraak met elkaar en een verzoening is al meer dan een eeuw ongrijpbaar gebleven.

De heersende veronderstelling is dat Einsteins zwaartekrachttheorie moet worden aangepast, of ‘gekwantiseerd’, om binnen de kwantumtheorie te passen. Dit is de aanpak van twee vooraanstaande kandidaten voor een kwantumtheorie van de zwaartekracht:de snaartheorie en de luskwantumzwaartekracht.

Maar een nieuwe theorie, ontwikkeld door professor Jonathan Oppenheim (UCL Physics &Astronomy) en uiteengezet in een artikel in Physical Review X daagt die consensus uit en hanteert een alternatieve benadering door te suggereren dat de ruimtetijd klassiek zou kunnen zijn, dat wil zeggen helemaal niet geregeerd zou kunnen worden door de kwantumtheorie.

In plaats van de ruimtetijd te wijzigen, wijzigt de theorie – ook wel een ‘postkwantumtheorie van de klassieke zwaartekracht’ genoemd – de kwantumtheorie en voorspelt ze een intrinsieke ineenstorting van de voorspelbaarheid die wordt gemedieerd door de ruimtetijd zelf. Dit resulteert in willekeurige en gewelddadige fluctuaties in de ruimtetijd die groter zijn dan in de kwantumtheorie wordt verwacht, waardoor het schijnbare gewicht van objecten onvoorspelbaar wordt als ze nauwkeurig genoeg worden gemeten.

Een tweede artikel, gelijktijdig gepubliceerd in Nature Communications en geleid door de voormalige Ph.D. van professor Oppenheim. studenten, bekijkt enkele gevolgen van de theorie en stelt een experiment voor om deze te testen:een massa heel nauwkeurig meten om te zien of het gewicht ervan in de loop van de tijd lijkt te fluctueren.

Het Internationale Bureau voor Gewichten en Maatregelen in Frankrijk weegt bijvoorbeeld routinematig een massa van 1 kg, wat vroeger de standaard van 1 kg was. Als de fluctuaties in de metingen van deze massa van 1 kg kleiner zijn dan vereist voor wiskundige consistentie, kan de theorie worden uitgesloten.

De uitkomst van het experiment, of ander bewijs dat naar voren komt dat de kwantum versus klassieke aard van ruimtetijd zou bevestigen, is het onderwerp van een weddenschap van 5000:1 tussen professor Oppenheim en professor Carlo Rovelli en dr. Geoff Penington – vooraanstaande voorstanders van de kwantumlus. respectievelijk zwaartekracht en snaartheorie.

De afgelopen vijf jaar heeft de UCL-onderzoeksgroep de theorie aan een stresstest onderworpen en de gevolgen ervan onderzocht.

Professor Oppenheim zei:‘De kwantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie van Einstein zijn wiskundig onverenigbaar met elkaar, dus het is belangrijk om te begrijpen hoe deze tegenstrijdigheid wordt opgelost. Moet de ruimtetijd worden gekwantiseerd, of moeten we de kwantumtheorie aanpassen, of is het iets heel anders? Nu we een consistente fundamentele theorie hebben waarin de ruimtetijd niet wordt gekwantiseerd, kan iedereen daar nog naar raden."

Co-auteur Zach Weller-Davies, die als Ph.D. student aan de UCL hielp bij het ontwikkelen van het experimentele voorstel en leverde belangrijke bijdragen aan de theorie zelf, zei:"Deze ontdekking daagt ons begrip van de fundamentele aard van de zwaartekracht uit, maar biedt ook mogelijkheden om de potentiële kwantumaard ervan te onderzoeken.

"We hebben aangetoond dat als de ruimtetijd geen kwantumkarakter heeft, er willekeurige fluctuaties in de kromming van de ruimtetijd moeten zijn die een bepaalde signatuur hebben die experimenteel kan worden geverifieerd.

‘In zowel de kwantumzwaartekracht als de klassieke zwaartekracht moet de ruimtetijd overal om ons heen gewelddadige en willekeurige fluctuaties ondergaan, maar op een schaal die we nog niet hebben kunnen detecteren. Maar als de ruimtetijd klassiek is, moeten de fluctuaties groter zijn dan een seconde. bepaalde schaal, en deze schaal kan worden bepaald door een ander experiment waarbij we testen hoe lang we een zwaar atoom in een superpositie kunnen plaatsen terwijl het zich op twee verschillende locaties bevindt."

Co-auteurs dr. Carlo Sparaciari en dr. Barbara Šoda, wier analytische en numerieke berekeningen het project hebben begeleid, spraken de hoop uit dat deze experimenten zouden kunnen bepalen of het nastreven van een kwantumtheorie van de zwaartekracht de juiste aanpak is.

Dr. Šoda (voorheen UCL Physics &Astronomy, nu verbonden aan het Perimeter Institute of Theoretical Physics, Canada) zei:“Omdat de zwaartekracht tot uiting komt door het buigen van ruimte en tijd, kunnen we de vraag beschouwen in termen van of de snelheid van welke tijd stroomt heeft een kwantumkarakter, of een klassiek karakter.

"En dit testen is bijna net zo eenvoudig als testen of het gewicht van een massa constant is, of op een bepaalde manier lijkt te fluctueren."

Dr. Sparaciari (UCL Physics &Astronomy) zei:"Hoewel het experimentele concept eenvoudig is, moet het wegen van het object met extreme precisie worden uitgevoerd.

"Maar wat ik opwindend vind, is dat we, uitgaande van zeer algemene aannames, een duidelijke relatie kunnen bewijzen tussen twee meetbare grootheden:de omvang van de ruimtetijdfluctuaties en hoe lang objecten zoals atomen of appels in kwantumsuperpositie van twee verschillende locaties kunnen worden geplaatst." Deze twee grootheden kunnen we dan experimenteel bepalen."

Weller-Davies voegde eraan toe:‘Er moet een delicaat samenspel bestaan ​​als kwantumdeeltjes zoals atomen in staat zijn de klassieke ruimtetijd te buigen. Er moet een fundamentele afweging bestaan ​​tussen de golfaard van atomen en hoe groot de willekeurige fluctuaties in de ruimtetijd moeten zijn. ."

Het voorstel om te testen of de ruimtetijd klassiek is door te zoeken naar willekeurige fluctuaties in de massa is complementair aan een ander experimenteel voorstel dat tot doel heeft de kwantumaard van de ruimtetijd te verifiëren door te zoeken naar iets dat 'door zwaartekracht gemedieerde verstrengeling' wordt genoemd.

Professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy), die vandaag niet betrokken was bij de aankondiging, maar wel een van degenen was die als eerste het verstrengelingsexperiment voorstelde, zei:“Experimenten om de aard van de ruimtetijd te testen zullen een grootschalige inspanning vergen, maar ze Ik geloof dat deze experimenten binnen handbereik zijn – deze dingen zijn moeilijk te voorspellen, maar misschien zullen we het antwoord binnen de komende twintig jaar weten.'

De postkwantumtheorie heeft implicaties die verder gaan dan de zwaartekracht. Het beruchte en problematische 'meetpostulaat' van de kwantumtheorie is niet nodig, omdat kwantumsuperposities noodzakelijkerwijs lokaliseren door hun interactie met de klassieke ruimtetijd.

De theorie werd gemotiveerd door de poging van professor Oppenheim om het informatieprobleem van zwarte gaten op te lossen. Volgens de standaard kwantumtheorie moet een object dat een zwart gat binnengaat op de een of andere manier naar buiten worden gestraald, omdat informatie niet kan worden vernietigd. Dit is echter in strijd met de algemene relativiteitstheorie, die zegt dat je nooit iets te weten kunt komen over objecten die de waarnemingshorizon van het zwarte gat overschrijden. De nieuwe theorie maakt het mogelijk dat informatie wordt vernietigd, als gevolg van een fundamentele storing in de voorspelbaarheid.

Meer informatie: Een postkwantumtheorie van de klassieke zwaartekracht?, Physical Review X (2023). journals.aps.org/prx/abstract/ … 3/PhysRevX.13.041040 . Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.1811.03116

Jonathan Oppenheim et al, Door zwaartekracht geïnduceerde decoherentie versus ruimte-tijd diffusie:het testen van de kwantumaard van de zwaartekracht, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43348-2. www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling X

Aangeboden door University College London