پذیرش اشکالات گرانش می تواند یک نظریه واحد از واقعیت به ما بدهد

شانس شرط بندی جاناتان اوپنهایم در سال 2023 سخاوتمندانه است، حتی 5000 به 1. اما اگر او برنده شود، می تواند دیدگاه ما را نسبت به جهان تغییر دهد. این فیزیکدان شرط می‌بندد که فضا-زمان، و بنابراین گرانش، توسط نظریه کوانتومی کنترل نمی‌شود. این کاملا برخلاف جریان اصلی فیزیک است، که می‌گوید گرانش باید در نهایت کوانتومی باشد، مانند بقیه نیروهای بنیادی - حتی اگر فعلا نتوانیم چگونگی آن را پیدا کنیم.

شرط بندی شوخی است، اما سوال جدی است و شاید حل نشدنی ترین معمای فیزیک مدرن را نشان دهد. و اگرچه اوپنهایم هنوز در مورد نظریه گرانش «پسا کوانتومی» خود ناامید است، او به طور فزاینده ای متقاعد شده است که همتایانش باید به آن توجه کنند – حداقل به دلیل پیچیدگی گزینه ها. او می‌گوید: «همه این افراد هستند که فکر می‌کنند ما در 11 بعد زندگی می‌کنیم و ابر ریسمان‌ها وجود دارند و فضا-زمان ظهور می‌کند و به این نظریه نگاه می‌کنند و آن را رادیکال می‌خوانند».

اما اگر کنار بروید و به طور عینی به آن فکر کنید، کاملا برعکس است – این محافظه کارانه‌ترین نظریه‌ای است که می‌توانید داشته باشید.»

و این تمام نیست. شاید بحث‌برانگیزترین نوآوری مدل را بپذیرید، و محاسبات اوپنهایم نشان می‌دهد که ممکن است راز بزرگ دیگری از فیزیک مدرن را روشن کند: ماهیت ماده تاریک نامرئی که به نظر می‌رسد بیشترین نیروی گرانشی را در کیهان ایجاد می‌کند. ممکن است او فقط درگیر چیزی باشد؟

ده ها سال است که دانشمندان در تلاش بوده اند تا دو ستون فیزیک مدرن را با هم آشتی دهند: نظریه کوانتومی که بر رفتار ذرات و نیروها در مقیاس های کوچک حاکم است و نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین که گرانش را توصیف می کند و نحوه عملکرد جهان را در بزرگترین مقیاس ها تعیین می کند. هر یک از این ستون ها به طور گسترده تحت آزمایش استرس قرار گرفته اند و قوی هستند. با این حال، طبق درک فعلی ما، این دو اساسا ناسازگار هستند.

نظریه کوانتومی عملکرد سه نیروی اساسی - الکترومغناطیس و نیروهای هسته ای قوی و ضعیف - را از طریق تبادل ذرات کوانتومی که ماده را به روش های مختلف به یکدیگر متصل می کنند، توضیح می دهد. اما طبق نسبیت عام، اجسام عظیم نه از طریق تبادل ذرات کوانتومی، بلکه با تاب برداشتن فضا و زمان در اطراف خود، گرانش تولید می‌کنند که باعث می‌شود آنها به سمت یکدیگر "به درون" بیفتند.

هر نظریه در حوزه خود به خوبی کار می کند: نیروهای کوانتومی توضیح می دهند که چگونه ماده ای که صندلی را تشکیل می دهد که ما روی آن نشسته ایم کنار هم قرار می گیرد. گرانش توضیح می‌دهد که چرا اگر وقتی می‌خواهیم بنشینیم، صندلی را از دست بدهیم، بدن ما با یک ضربه به زمین می‌افتد. اما این همزیستی در جایی که مقیاس‌های بزرگ با مقیاس‌های کوچک برخورد می‌کنند از بین می‌رود: برای مثال، زمانی که ذرات کوانتومی از افق رویداد یک سیاه‌چاله عظیم عبور می‌کنند، یا در اولین لحظات انفجار بزرگ، زمانی که جهان شناخته‌شده ما به‌عنوان یک خار کوچک از جرم و انرژی آغاز شد.

اکثریت قریب به اتفاق فیزیکدانان فکر می کنند که محتمل ترین راه حل نوعی گرانش کوانتومی است که در آن گرانش از قطعات کوچک کوانتومی مانند سایر نیروها ساخته شده است. در مقیاس های بسیار کوچک، فضا-زمان نظریه انیشتین که به آرامی تاب می خورد، مانند تصویری که بیش از حد بزرگ شده است، شکسته و پیکسل می شود.

راه های مختلفی برای کمیت کردن گرانش و فضا-زمان وجود دارد. شاید شناخته شده ترین نظریه ریسمان باشد که وجود ابعاد اضافی کوچک و پیچیده را پیشنهاد می کند. یکی دیگر از رقبای مورد علاقه، گرانش کوانتومی حلقه، یک فضا-زمان صاف را در حال ظهور از یک شبکه بنیادی عمیق تر از "دانه های" هندسی به تصویر می کشد.

گرانش پس کوانتومی

اوپنهایم، فیزیکدان دانشگاه کالج لندن، هیچ یک از اینها فروخته نمی شود. او می‌گوید: «در گرانش کوانتومی، این تصور که گرانش بر حسب فضا-زمان قابل توصیف است، از بین می‌رود، اما هنوز هم همه معتقدند که آن کوانتومی است تا نظریه فضا-زمان. او فکر می‌کند که اگر هر نظریه‌ی جانشینی بخواهد موفقیت‌های نسبیت عام را بازتولید کند، بسیار مهم است که تصویر آن نظریه از گرانش به‌عنوان نیرویی که بین توده‌ها در یک فضا-زمان پیوسته و غیرقابل تقسیم عمل می‌کند، حفظ شود. گرانش پس کوانتومی دقیقا این کار را انجام می دهد.

اوپنهایم می‌گوید: «اگر باور دارید که اساسا گرانش یک نظریه فضا-زمان است، این نظریه برای شماست.

این مدل و ریاضیات زیربنایی آن پیچیده است، اما هدف آن ساده است: با آنچه به طور قطع در مورد میدان‌های کوانتومی مختلف می‌دانیم شروع کنیم، فضا-زمان را کمیت نکنیم و سپس ببینیم چه اتفاقی می‌افتد. پس از سال‌ها کار پر زحمت، اوپنهایم دریافت که در واقع به نظر می‌رسد که واقعیت را به طرز شگفت‌آوری تا اینجا توصیف می‌کند. به طور اساسی، گرانش با مکانیک کوانتومی در مقیاس های کوچک مطابقت دارد و همانطور که نسبیت عام در مقیاس های بزرگتر پیش بینی می کند، رفتار می کند.

اوپنهایم و زاخاری ولر-دیویس در مؤسسه Perimeter در کانادا در آخرین مقاله خود که در ژوئیه منتشر شد، دریافتند که تقارن‌های فضا-زمان خاصی که از ویژگی‌های حیاتی نسبیت عام هستند، می‌توانند برای گرانش پس کوانتومی نیز اعمال شوند.

با این حال، این یک قیمت دارد. اگر قرار است مدل اوپنهایم با مکانیک کوانتومی مطابقت داشته باشد، باید ویژگی‌های خاصی از آن را اتخاذ کند. به طور خاص، باید به همه اشیاء اجازه دهد که در یک برهم نهی از دو حالت باشند و تنها زمانی که توابع موج کوانتومی که آن‌ها را توصیف می‌کنند در هنگام اندازه‌گیری «جمع می‌شوند» به یک حالت منفرد حل می‌شوند.

این حالات شامل موقعیت شی هستند - اما مشکل در اینجا نهفته است. اگر جسمی در دو موقعیت به طور همزمان از هر دو کشش گرانشی ایجاد کند، این نشان می‌دهد که گرانش اساسا کوانتومی است. با این حال، اگر فقط یک موقعیت کششی ایجاد کند، این نشان می‌دهد که گرانش «می‌داند» که شی به محض فروپاشی تابع موج آن در کدام موقعیت قرار می‌گیرد. این امر اصل عدم قطعیت، یک اصل کلیدی و پذیرفته شده مکانیک کوانتومی را نقض می کند.

نسبیت عام می گوید که گرانش از روشی سرچشمه می گیرد که جرم فضا-زمان را تغییر شکل می دهد

تنها راه حل این مشکل، به گفته اوپنهایم، معرفی درجه ای از تصادفی بودن به شکل نوسانات مختصات فضا-زمان است. این اثر به خودی خود کوچک است، اما پیامدهای آن قابل توجه است: به این معنی است که، حداقل در مقیاس های بسیار کوچک، فضا و زمان غیرقابل پیش بینی هستند. برای مثال، تیک‌های ساعت دیگر دقیقا در فواصل مساوی نیستند، بلکه کمی تکان می‌خورند. اگر بخواهید، این یک اشکال در فضا-زمان است.

درهم‌تنیدگی با ماهیت زمان کار ساده‌ای نیست. اوپنهایم می‌گوید: «وقتی یک سیستم را توصیف می‌کنیم، نحوه تکامل آن در زمان را توضیح می‌دهیم، بنابراین ماهیت زمان یک سؤال بزرگ است. تصادفی شدن زمان، حتی به روشی کوچک، کار را بسیار دشوار می کند که چگونه سیستم های در حال تکامل را توصیف کنیم - به طور بالقوه آچاری را به عملکرد خود فیزیک می اندازیم.

این واقعیت که این تصادفی بودن منبع فیزیکی شناخته شده ای ندارد، برخی از محققان را دچار مشکل می کند. ایوت فوئنتس از دانشگاه ساوتهمپتون در بریتانیا می‌گوید: «من فکر می‌کنم او به نوعی موضوع اصلی را دنبال می‌کند، که توضیحی درباره دلیل [تصادفی] بودن آن است.

اوپنهایم در واقع موافق است. او می گوید: «این واقعیت را دوست ندارم که این نوسانات غیرقابل پیش بینی وجود دارد. با این ایده که همه چیز باید دلیلی داشته باشد و ما باید بتوانیم جهان را به صورت فیزیکی توصیف کنیم، در تضاد است. او می‌گوید، اما اگر بخواهیم مکانیک کوانتومی و گرانش را با هم تطبیق دهیم، باید چیزی به ما بدهیم. ما همه روش‌های ساده‌تر را امتحان کرده‌ایم، و هیچ چیزی نتیجه نداده است، بنابراین باید بهایی بپردازیم.»

و ممکن است دلایلی وجود داشته باشد که از وجود نوسانات کاسته نشود. یکی به شکل یک اصل اساسی مکانیک کوانتومی به نام قانون متولد شده است. این فرمولی است که احتمال به دست آوردن یک مقدار خاص را برای وضعیت یک سیستم کوانتومی هنگام اندازه‌گیری آن می‌دهد، و برای کارکرد ریاضیات فروپاشی تابع موج بسیار مهم است. این قانون تا یک قرن بررسی شده است، اما ما هنوز نمی دانیم که از کجا آمده است.

در مدل اوپنهایم، به محض معرفی نوسانات در زمان، ظاهر می شود، حتی اگر به عنوان پیش فرض مدل درج نشده باشد.

ماده تاریک فانتومی

علاوه بر این، اوپنهایم و همکارانش در کار منتشر شده در ماه مه دریافتند که گرانش پس کوانتومی می تواند برخی از اثرات گرانشی را که در حال حاضر به ماده تاریک نسبت داده می شود، بازتولید کند. مشاهدات نشان می دهد که ماده تاریک از ماده مرئی معمولی در کیهان به میزان 5 به 1 بیشتر است - اما ما هیچ سرنخی از آن نداریم.

ماده تاریک "فانتوم" ناشی از نوسانات فضا-زمان ممکن است این مشکل عظیم را کنار بگذارد. اوپنهایم می گوید: این بخش از مدل هنوز در مراحل ابتدایی خود است: "ما می دانیم که اثری وجود دارد که شبیه ماده تاریک است، اما نمی دانیم که آیا آنقدر بزرگ است که بتوان چیزی را توضیح داد یا ویژگی های مناسبی دارد." او اکنون در تلاش است تا ارتباط احتمالی را با جزئیات بیشتری مشخص کند.

همسالان او تا حد زیادی بی حرکت باقی می مانند. کارلو روولی در دانشگاه اکس مارسی در فرانسه یکی از مبتکران و حامیان اصلی گرانش کوانتومی حلقه ای است. او همراه با نظریه‌پرداز ریسمان جف پنینگتون در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، در سال 2023 با اوپنهایم شرط بندی کرد. شرایط دقیق این است که اگر ثابت شود گرانش کمیت دارد، اوپنهایم باید چیزی به ارزش 20p روولی و پنینگتون بخرد. اگر ثابت شود که اندازه‌گیری نشده است، آن‌ها به دنبال کالایی به ارزش 1000 پوند هستند.

روولی می‌گوید این مدل هم مکانیک کوانتومی و هم نسبیت عام را نقض می‌کند. "چرا پیشرفت باید به همان چیزی که ما فهمیده ایم برگردد؟" او می گوید. "این مانند ارائه نظریه هایی است که در آن زمین به دور خورشید نمی چرخد."

اوپنهایم می گوید که اینطور نیست. این مدل کاملا با نسبیت عام مطابقت دارد و با پیشنهاد منشأ فیزیکی برای قانون Born، به‌روزرسانی لازم برای مکانیک کوانتومی را ارائه می‌کند. او می‌گوید: «به این معنا نیست که مکانیک کوانتومی را می‌شکند؛ در واقع یکی از مسائل آزاردهنده‌ای را که از زمان پیدایش مکانیک کوانتومی با آن مواجه بوده را حل می‌کند.

دیدگاه سوم این است که شما به سادگی نمی توانید بدون شکستن چند تخم مرغ املت درست کنید. فوئنتس می‌گوید: «وقتی گرانش را کمی می‌کنیم و فضا-زمان را کمی می‌کنیم، نسبیت عام را نیز در هم می‌شکنیم». "من فکر می کنم شما باید هم نسبیت و هم مکانیک کوانتومی را بشکنید تا آنها را متحد کنید."

واقعیت در نهایت تصمیم گیرنده خواهد بود. مدل‌های گرانشی غیرکوانتی‌شده زیادی وجود ندارد، و اگر از شر آن‌هایی که قابل آزمایش نیستند خلاص شوید، این انتخاب حتی کم‌تر است. دانیل کارنی از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا می‌گوید که این نظریه اوپنهایم را قابل توجه می‌کند: او دوست دارد راه‌هایی برای بررسی پیش‌بینی‌های آن وجود داشته باشد. کارنی می‌گوید: "این مدل، در ذهن من، بیشتر به عنوان یک مورد آزمایشی مفید است - می‌گوید، اگر اشتباه کنیم، چه؟

"برای آن، فوق العاده ارزشمند است."

در حال حاضر، مشاهدات محدودیت هایی را برای مدل ایجاد کرده اند. برای مثال، اگر درست باشد، باید امواج گرانشی تصادفی با طیف خاصی از فرکانس ها و قدرت ها وجود داشته باشد که در کل جهان نفوذ کند، که از نوسانات تصادفی فضا-زمان در اوایل تاریخ کیهانی ناشی می شود. رصدخانه های امواج گرانشی، مانند رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری مستقر در ایالات متحده، امواج فضا-زمان ناشی از حرکات اجرام بسیار پرجرم مانند سیاه چاله ها را اندازه گیری می کنند، و همچنین شروع به اندازه گیری این ضعیف تر "پشت موج گرانشی تصادفی تصادفی" کرده اند.

دور».

بازوهای بلند آشکارساز امواج گرانشی Virgo در نزدیکی پیزا، ایتالیا

نتایج تا کنون خواص احتمالی این سیگنال پس‌زمینه را تا حد زیادی محدود کرده‌اند، به همین ترتیب احتمال گرانش پس کوانتومی را محدود کرده‌اند. در همین حال، آزمایش‌های آزمایشگاهی با استفاده از اتم‌های فوق سرد برای اندازه‌گیری گرانش، محدودیت‌هایی را برای مدل در مقیاس‌های کوچک‌تر ایجاد می‌کنند. اوپنهایم می‌گوید: «اتاق تکان دادن زیادی وجود ندارد، راه‌های زیادی برای پنهان شدن در صورت بروز مشکل وجود ندارد.

در نهایت، آنچه مورد نیاز است آزمایش‌های آزمایشی مستقیم‌تر است - و پیشرفت‌های اخیر در تئوری و فناوری‌های سنجش کوانتومی به این معنی است که می‌توانند در کارت‌ها باشند. اولین چنین آزمایشی قرار دادن یک جرم کوچک، مانند یک کریستال در مقیاس نانو، در یک برهم نهی کوانتومی از دو مکان در یک زمان است. سپس محققان سعی می کنند آن را با کریستال دیگری در هم ببندند تا اندازه گیری موقعیت یکی فورا بر نتیجه اندازه گیری دیگری تأثیر بگذارد. درهم تنیدگی یک اثر کاملا کوانتومی است و بنابراین اگر گرانش کوانتومی نباشد، هر گونه درهم تنیدگی بین دو جرم را مختل می کند.

اندازه گیری هر گونه درهم تنیدگی فورا گرانش پس کوانتومی را همراه با سایر مدل های کلاسیک گرانش رد می کند.

آزمایش دوم این است که جرم برهم نهفته را در معرض میدان گرانشی قرار دهیم و پاسخ آن را چندین بار پشت سر هم اندازه گیری کنیم. اگر گرانش کوانتومی است، اندازه گیری باید هر بار تقریبا یکسان باشد. اگر پس کوانتومی باشد، نوسانات کوچک در فضا-زمان باید ناسازگاری هایی را بین اجراهای مختلف آزمایش ایجاد کند.

از همین تنظیم می‌توان برای اندازه‌گیری مدت زمان ماندگاری چنین برهم‌نهایی نیز استفاده کرد. سوگاتو بوز، آزمایش‌گر، همچنین از دانشگاه کالج لندن، می‌گوید: «اگر گرانش کلاسیک از یک جسم کوانتومی می‌آید، واقعا برهم نهی جرم را در دو مکان به طور همزمان خراب می‌کند. کارنی آن را با گربه شرودینگر مقایسه می‌کند، آزمایش فکری کلاسیک که در آن یک گربه در یک جعبه به دام می‌افتد، تا زمانی که جعبه باز شود و گربه مشاهده شود، هم زنده و هم مرده است.

او می‌گوید: «به‌جای اینکه گربه زنده و مرده باشد، گربه فقط در مقیاس زمانی کوتاه زنده یا مرده می‌شود» – در این مثال، گربه مدل اوپنهایم است.

جاناتان اوپنهایم (سمت چپ) و سوگاتو بوز آزمایشی را بررسی می کنند که می تواند به آزمایش گرانش پس کوانتومی کمک کند.

دانشگاه کالج لندن به تازگی یک سازمان جدید را معرفی کرده است، موسسه دیوید پاتر برای اطلاعات کوانتومی و فضا-زمان، که توسط بوز و اوپنهایم رهبری می شود و به آزمایش نظریه هایی مانند گرانش پسا کوانتومی اختصاص دارد. در واقع انجام آزمایش‌ها هنوز به طرز خارق‌العاده‌ای دشوار است و ممکن است یک دهه یا بیشتر طول بکشد تا محققان به پاسخ‌هایی دست یابند. بوز می‌گوید: «اگر ما فکر می‌کردیم که گرانش کوانتومی فراتر از سؤال است، انجام این آزمایش‌ها نیز منطقی نیست. "اما داشتن این نظریه های جایگزین انگیزه بسیار قوی برای آزمایش این است."

البته "ارزش آزمایش" با "احتمالا درست بودن" یکسان نیست. تا زمانی که آزمایشات واقعا انجام نشوند، گرانش پس کوانتومی اوپنهایم احتمالا در حاشیه باقی خواهد ماند. کارنی می‌گوید: «آیا واقعا کسی معتقد است که جهان می‌تواند آن‌طور که او پیشنهاد می‌کند کار کند؟ من مطمئن هستم که برخی از مردم این کار را می‌کنند، اما یافتن آنها سخت است.

اوپنهایم به این دفاع پایبند است که مدل او به مفروضات بسیار کمتر، تغییرات کمتری در مدل‌های موجود کیهان و دنیای کوانتومی، و مقادیر و متغیرهای با دقت انتخاب‌شده کمتری نسبت به بسیاری از مدل‌های گرانشی کوانتومی یا حتی اکثر مدل‌های گرانشی کوانتومی که هنوز از پشتیبانی تجربی برخوردار نشده‌اند، نیاز دارد، مانند نظریه ریسمان.

فوئنتس فکر می کند که این یک نکته معتبر است. او می‌گوید: «ما در دهه‌های گذشته صرفا تئوری و تئوری و تئوری، ریاضیات بدون هیچ ارتباط واقعی با آنچه می‌توان آزمایش کرد، داشتیم. "بله، [اوپنهایم] ایده دیوانه کننده ای دارد، اما او آزمایشی را پیشنهاد می کند. این همان علمی است که ما در حال حاضر باید انجام دهیم."