Hogyan lehet egyeztetni a modern fizika két pillérét: a kvantumelméletet és a gravitációt? Az egyiknek vagy mindkettőnek meg kell adnia és át kell adnia. Az új megközelítés szerint a gravitáció a kvantumszintű véletlenszerű ingadozásokból áramolhat, ami a kvantummechanikát a két elmélet alapvető fontosságúvá teszi. A valóság két fő magyarázata szerint az kvantumelmélet az anyag legkisebb részecskéinek kölcsönhatásait szabályozza. Az általános relativitáselmélet a gravitációról és az univerzum legnagyobb struktúráiról szól. Einstein a híres elmélet megalkotása óta a fizikusok megpróbálták áthidalni a köztük lévő rést, de hiába.
A probléma része annak ismerete, hogy az egyes elméletek melyik szálai alapvető fontosságúak a valóság megértésében.
A gravitáció kvantummechanikával való összeegyeztetésének egyik megközelítése az volt, hogy megmutatjuk, hogy a gravitáció a legalapvetőbb szintjén oszthatatlan részekre - kvantumokra oszlik - ugyanúgy, ahogyan az elektromágneses erők kifolynak a fotonoknak nevezett kvantumokból. A kvantitatív gravitáció elméletéhez vezető út azonban átjárhatatlannak bizonyult.
Így Antoine Tilloy a Max Planck Kvantumoptikai Intézetből (Garching, Németország) megpróbálta a gravitációt elérni a szokásos kvantummechanika megváltoztatásával.
A kvantumelméletben a részecske állapotát a hullámfüggvénye jellemzi. A hullámfüggvény lehetővé teszi például, hogy kiszámítsa annak valószínűségét, hogy a részecske egy adott helyen megtalálja-e a mérést. A mérés előtt nem ismert, hogy létezik-e a részecske, és ha igen, hol. Úgy tűnik, hogy a valóságot egy megfigyelési aktus hozza létre, amely "elpusztítja" a hullámfunkciót.
A kvantummechanika azonban nem határozza meg, hogy mi a mérés vagy megfigyelés. Például szükséges-e ebben az esetben tudatos ügynök - ember? A mérési probléma olyan paradoxonokhoz vezet, mint Schrödinger macska, amelyben a macska egyszerre lehet mind életben, mind halva egy dobozban, amíg valaki kinyitja a dobozt, és be nem néz.
A paradoxonok egyik megoldása az úgynevezett GRW-modell, amelyet az 1980-as évek végén fejlesztettek ki. Ide tartozik "sorozat", amely véletlenszerű spontán összeomlás a kvantumrendszerek hullámfunkciójáról. Az eredmény pontosan megegyezik a mérések elvégzésével, de nyilvánvaló megfigyelő nélkül.
Tilloy módosította ezt a modellt, hogy megmutassa, hogyan vezethet a gravitáció elméletéhez. Ebben a modellben, amikor a fáklya megsemmisíti a hullámfunkciót, és arra kényszeríti a részecskét, hogy egy helyen legyen, akkor az űridőben abban a pillanatban gravitációs mezőt hoz létre. Egy hatalmas kvantumrendszer nagy részecskékkel számos fáklyát mutat, és ezzel együtt a gravitációs tér ingadozásait.
Promóciós videó:
Kiderült, hogy ezekből az ingadozásokból átlagosan elvárható egy gravitációs mező, amely a Newton gravitációs elméletéből fakad (a munkáról bővebben - arxiv.org/abs/1709.03809). A gravitáció kvantummechanikával való kombinálásának ezt a megközelítését félklasszikusnak nevezik: a gravitáció a kvantumfolyamatokból következik, de továbbra is klasszikus erő. "Nincs ok figyelmen kívül hagyni ezt a félklasszikus megközelítést, amelyben a gravitáció alapvető szinten továbbra is klasszikus" - mondja Tilloy.
„Alapvetően tetszik ez az ötlet” - mondja Klaus Hornberger, a németországi Duisburg-Essen Egyetem. De azt is megjegyzi, hogy más problémákkal is foglalkozni kell, mielőtt ez a megközelítés komoly versenyzővé válik a fizika törvényeinek alapját képező összes alapvető erő kis és nagy méretű egyesítésében. Például Tilloy modellje felhasználható a Newton elméletében leírt gravitáció levezetésére, de a matematikusoknak még nem kellett meghatározniuk, hogy ez hatékonyan leírja-e a gravitációt Einstein általános relativitáselméletében.
Ennek ellenére modellje előrejelzéseket tesz, amelyek igazolhatóak. Például azt jósolja, hogy a gravitáció eltérően fog viselkedni az atom méretében és nagyban. Ha a tesztek azt mutatják, hogy Tilloy modellje megegyezik a valósággal, és hogy a gravitáció valóban a kvantumingadozások összeomlásából fakad, ez fontos jelzés lenne arra, hogy minden elmélete tartalmazna semiclassical gravitációt.
Ilya Khel