Teoria e re pretendon të bashkojë gravitetin e Ajnshtajnit me mekanikën kuantike

Një teori radikale që unifikon vazhdimisht gravitetin dhe mekanikën kuantike duke ruajtur konceptin klasik të Ajnshtajnit për hapësirë-kohën është shpallur në dy punime të botuara njëkohësisht nga fizikantët e UCL (University College London).

Fizika moderne bazohet në dy shtylla: teoria kuantike nga njëra anë, e cila rregullon grimcat më të vogla në univers dhe teoria e relativitetit të përgjithshëm të Ajnshtajnit nga ana tjetër, e cila shpjegon gravitetin përmes përkuljes së hapësirë-kohës. Por këto dy teori janë në kundërshtim me njëra-tjetrën dhe një pajtim ka mbetur i pakapshëm për më shumë se një shekull.

Supozimi mbizotërues ka qenë se teoria e gravitetit të Ajnshtajnit duhet të modifikohet, ose të “kuantizohet”, në mënyrë që të përshtatet brenda teorisë kuantike. Kjo është qasja e dy kandidatëve kryesorë për një teori kuantike të gravitetit, teoria e fijeve dhe graviteti kuantik i ciklit .

Por një teori e re, e zhvilluar nga Profesor Jonathan Oppenheim (UCL Physics & Astronomy) dhe e paraqitur në një punim në Physical Review X, sfidon atë konsensus dhe merr një qasje alternative duke sugjeruar se hapësirë-koha mund të jetë klasike – domethënë, jo e qeverisur nga kuantike teori fare.

Në vend të modifikimit të hapësirë-kohës, teoria – e quajtur “teoria postkuantike e gravitetit klasik” – modifikon teorinë kuantike dhe parashikon një ndarje të brendshme të parashikueshmërisë që ndërmjetësohet nga vetë hapësirë-koha. Kjo rezulton në luhatje të rastësishme dhe të dhunshme në hapësirë-kohë që janë më të mëdha se sa parashikohej në teorinë kuantike, duke e bërë peshën e dukshme të objekteve të paparashikueshme nëse matet me saktësi të mjaftueshme.

Një punim i dytë, i botuar njëkohësisht në Nature Communications dhe i drejtuar nga ish-Ph.D. i Profesor Oppenheim. studentët, shikon disa nga pasojat e teorisë dhe propozon një eksperiment për ta testuar atë: për të matur një masë shumë të saktë për të parë nëse pesha e saj duket se luhatet me kalimin e kohës.

Për shembull, Byroja Ndërkombëtare e Peshave dhe Masave në Francë peshon në mënyrë rutinore një masë 1 kg e cila dikur ishte standardi 1 kg. Nëse luhatjet në matjet e kësaj mase prej 1 kg janë më të vogla se sa kërkohet për konsistencën matematikore, teoria mund të përjashtohet.

Rezultati i eksperimentit, ose prova të tjera që dalin që do të konfirmonin natyrën kuantike kundrejt natyrës klasike të hapësirë-kohës, është subjekt i një basti 5000:1 midis profesor Oppenheim dhe profesor Carlo Rovelli dhe Dr. Geoff Penington – përkrahësit kryesorë të ciklit kuantik respektivisht teoria e gravitetit dhe e fijeve .

Për pesë vitet e fundit, grupi kërkimor i UCL ka qenë duke testuar stresin teorinë dhe duke eksploruar pasojat e saj.

Profesor Oppenheim tha: “Teoria kuantike dhe teoria e relativitetit të përgjithshëm të Ajnshtajnit janë matematikisht të papajtueshme me njëra-tjetrën, kështu që është e rëndësishme të kuptojmë se si zgjidhet kjo kontradiktë. A duhet të kuantizohet hapësira-koha, apo duhet të modifikojmë teorinë kuantike, apo është diçka krejtësisht tjetër? Tani që kemi një teori të qëndrueshme themelore në të cilën hapësira-koha nuk kuantizohet, është supozimi i kujtdo.”

Bashkëautori Zach Weller-Davies, i cili si Ph.D. studenti në UCL ndihmoi në zhvillimin e propozimit eksperimental dhe dha kontribute kryesore në vetë teorinë, tha: “Ky zbulim sfidon të kuptuarit tonë të natyrës themelore të gravitetit, por gjithashtu ofron rrugë për të hetuar natyrën e tij potenciale kuantike.

“Ne kemi treguar se nëse hapësira-koha nuk ka një natyrë kuantike, atëherë duhet të ketë luhatje të rastësishme në lakimin e hapësirë-kohës, të cilat kanë një nënshkrim të veçantë që mund të verifikohet eksperimentalisht.

“Si në gravitetin kuantik ashtu edhe në gravitetin klasik, hapësirë-koha duhet të jetë duke pësuar luhatje të dhunshme dhe të rastësishme rreth nesh, por në një shkallë që ne ende nuk kemi qenë në gjendje ta zbulojmë. Por nëse hapësirë-koha është klasike, luhatjet duhet të jenë më të mëdha se një shkallë të caktuar, dhe kjo shkallë mund të përcaktohet nga një eksperiment tjetër ku ne testojmë se sa kohë mund të vendosim një atom të rëndë në mbivendosjen e të qenit në dy vende të ndryshme.”

Bashkautorët Dr. Carlo Sparaciari dhe Dr. Barbara Šoda, llogaritjet analitike dhe numerike të të cilëve ndihmuan në drejtimin e projektit, shprehën shpresën se këto eksperimente mund të përcaktojnë nëse ndjekja e një teorie kuantike të gravitetit është qasja e duhur.

Dr. Šoda (dikur UCL Physics & Astronomy, tani në Institutin Perimeter të Fizikës Teorike, Kanada) tha, “Për shkak se graviteti manifestohet përmes përkuljes së hapësirës dhe kohës, ne mund të mendojmë për pyetjen nëse norma në e cila rrjedh kohë ka një natyrë kuantike, ose natyrë klasike.

“Dhe testimi i kësaj është pothuajse aq i thjeshtë sa testimi nëse pesha e një mase është konstante, ose duket se luhatet në një mënyrë të veçantë.”

Dr. Sparaciari (UCL Physics & Astronomy) tha: “Ndërsa koncepti eksperimental është i thjeshtë, peshimi i objektit duhet të kryhet me saktësi ekstreme.

“Por ajo që më duket emocionuese është se duke u nisur nga supozimet shumë të përgjithshme, ne mund të provojmë një marrëdhënie të qartë midis dy sasive të matshme – shkallës së luhatjeve të hapësirës-kohës dhe sa kohë objekte si atomet ose mollët mund të vendosen në mbivendosje kuantike të dy vendndodhjeve të ndryshme. Më pas ne mund t’i përcaktojmë këto dy sasi në mënyrë eksperimentale.”

Weller-Davies shtoi, “Një ndërveprim delikat duhet të ekzistojë nëse grimcat kuantike si atomet janë në gjendje të përkulin hapësirën klasike. Duhet të ketë një shkëmbim themelor midis natyrës valore të atomeve dhe sa të mëdha duhet të jenë luhatjet e rastësishme në hapësirë-kohë. .”

Propozimi për të testuar nëse koha e hapësirës është klasike duke kërkuar për luhatje të rastësishme në masë është plotësuese me një propozim tjetër eksperimental që synon të verifikojë natyrën kuantike të hapësirë-kohës duke kërkuar diçka të quajtur “ngatërrim i ndërmjetësuar nga gravitacioni”.

Profesor Sougato Bose (UCL Physics & Astronomy), i cili nuk ishte i përfshirë me njoftimin sot, por ishte ndër ata që propozuan së pari eksperimentin e ndërthurjes, tha: “Eksperimentet për të testuar natyrën e hapësirës-kohës do të kërkojnë një përpjekje në shkallë të gjerë, por ato “Ka një rëndësi të madhe nga këndvështrimi i të kuptuarit të ligjeve themelore të natyrës. Unë besoj se këto eksperimente janë të arritshme – këto gjëra janë të vështira për t’u parashikuar, por ndoshta ne do ta dimë përgjigjen brenda 20 viteve të ardhshme.”

Teoria postkuantike ka implikime përtej gravitetit. “Postulati i matjes” famëkeq dhe problematik i teorisë kuantike nuk është i nevojshëm, pasi superpozicionet kuantike domosdoshmërisht lokalizohen përmes ndërveprimit të tyre me hapësirën klasike .

Teoria u motivua nga përpjekja e profesor Oppenheim për të zgjidhur problemin e informacionit të vrimës së zezë. Sipas teorisë standarde kuantike , një objekt që shkon në një vrimë të zezë duhet të rrezatohet në një farë mënyre pasi informacioni nuk mund të shkatërrohet, por kjo shkel relativitetin e përgjithshëm , i cili thotë se nuk mund të dish kurrë për objektet që kalojnë horizontin e ngjarjeve të vrimës së zezë. Teoria e re lejon që informacioni të shkatërrohet, për shkak të një ndarjeje themelore të parashikueshmërisë.