שני מאמרים של חוקרי יוניברסיטי קולג' לונדון התפרסמו ב- Nature Communications וב-Physics Magazine בהם מציעים החוקרים דרך אלגנטית ליישב את הסתירה בין שתי התיאוריות שכל אחת משפיעה בקנה מידה אחר
ביום חמישי האחרון הוצעה תאוריה רדיקלית שמאחדת באופן עקבי את תאוריות הכבידה ומכניקת הקוונטים, תוך שמירה על הקונספט הקלאסי של איינשטיין של מרחב-זמן. התאוריה פורסמה בשני מאמרים שפורסמו במקביל על-ידי פיזיקאים מאוניברסיטת יוניברסיטי קולג' לונדון (UCL).
התאוריה, המכונה "תאוריית כבידה פוסט-קוונטית קלאסית", משנה את תורת הקוונטים וצופה שבירה פנימית ביכולת החיזוי על-ידי המרחב-זמן עצמו. התוצאה היא תנודות אקראיות ואלימות במרחב-זמן שגדולות מאלה שחזו תחת תורת הקוונטים, מה שהופך את המשקל הנראה של עצמים לבלתי צפוי אם נמדד בדיוק מספיק.
מאמר שני, שפורסם במקביל ב-Nature Communications והובל על-ידי תלמידיו לשעבר של פרופסור אופנהיים, בוחן חלק מהשלכות התאוריה ומציע ניסוי כדי לבדוק אותה: למדוד מסה בדיוק רב כדי לראות אם משקלה נראה משתנה לאורך זמן.
פרופסור אופנהיים מאוניברסיטת לונדון אמר: "תורת הקוונטים ותורת הכבידה הכללית של איינשטיין הן בלתי תואמות מתמטית זו לזו, לכן חשוב להבין כיצד ליישב את הסתירה הזו. האם יש לכמת את המרחב-זמן, או שיש לשנות את תורת הקוונטים, או שמא מדובר במשהו אחר לגמרי? כעת, כאשר יש לנו תאוריה יסודית עקבית שבה המרחב-זמן לא נמדד, קשה לנחש מה יקרה."
וולר דיוויס, שכתלמיד דוקטורט ב-UCL סייע בפיתוח ההצעה הניסיונית ותרם תרומות מפתח לתאוריה עצמה, אמר: "התגלית הזאת מאתגרת את ההבנה שלנו ההתנהגות הבסיסית של הכבידה, אבל היא גם מציעה דרכים לחקור את הפוטנציאל הקוונטי שלה."
"הראינו שאם למרחב-זמן אין טבע קוונטי, אז חייבות להיות תנודות אקראיות בעקמומיות של המרחב-זמן שיש להן חתימה מסוימת שניתן למדוד בניסוי."
"הן בכבידה קוונטית והן בכבידה קלאסית, המרחב-זמן חייב לעבור תנודות אלימות ואקראיות מסביבנו, אבל בקנה מידה שעדיין לא הצלחנו למדוד. אבל אם המרחב-זמן הוא קלאסי, התנודות חייבות להיות גדולות מקנה מידה מסוים, וניתן לקבוע קנה מידה זה בניסוי אחר, שבו אנו בודקים כמה זמן אנו יכולים להכניס אטום כבד לסופרפוזיציה כך שיימצא בשני מיקומים שונים בו זמנית."
ד"ר קרלו ספרצ'רי וד"ר ברברה שודה, שחישוביהם האנליטיים והנומריים סייעו להתחיל את הפרויקט, הביעו תקווה שניסויים אלה יוכלו לקבוע האם החיפוש אחר תאוריית כבידה קוונטית הוא הגישה הנכונה.
ד"ר שודה אמרה: "מכיוון שכבידה באה לידי ביטוי דרך עיוות המרחב והזמן, אנחנו יכולים לחשוב על השאלה במונחים של: האם קצב זרימת הזמן הוא בעל טבע קוונטי או קלאסי? ניסוי כזה הוא פשוט כמעט כמו ניסוי הקובע אם משקל של מסה הוא קבוע או משתנה.
ד"ר ספרצ'רי אמר: "בזמן שהרעיון שעומד בבסיס הניסוי להוכחת התיאוריה הוא פשוט. שקילת העצם צריכה להתבצע בדיוק קיצוני. אבל מה שמרגש אותי הוא שהתחלנו מהנחות כלליות מאוד, והוכחנו קשר ברור בין שתי כמויות ניתנות למדידה –קנה המידה של התנודות במרחב-זמן, וכמה זמן עצמים כמו אטומים או תפוחים יכולים להיות בסופרפוזיציה בשני מיקומים שונים בו זמנית. אנחנו יכולים לקבוע את שתי הכמויות הללו בניסויים."
וולר-דוויס הוסיף: "חייבת להתקיים אינטראקציה עדינה אם חלקיקים קוונטיים כמו אטומים מסוגלים לעקם מרחב-זמן קלאסי. חייבת להיות פשרה יסודית בין הטבע הגלי של אטומים, לבין עד כמה גדולות צריכות להיות התנודות האקראיות במרחב-זמן."
ההצעה לבדוק האם המרחב-זמן הוא קלאסי על-ידי חיפוש אחר תנודות אקראיות במסה משלימה הצעה ניסיונית אחרת שמטרתה לאמת את הטבע הקוונטי של המרחב-זמן על-ידי חיפוש אחר משהו שנקרא “Gravitationally Mediated Entanglement.
פרופסור סוגאטו בוסה מאוניברסיטת יוניברסיטי קולג' לונדון, שלא היה מעורב במחקר שפורסם אבל היה בין אלה שהציעו לראשונה את ניסוי הזוגיות, אמר: "ניסויים לבדיקת טבע המרחב-זמן דורשים מאמץ גדול, אבל הם בעלי חשיבות עצומה מנקודת מבט של הבנת החוקים היסודיים של הטבע. אני מאמין שהניסויים האלה נמצאים בהישג יד. קשה לחזות דברים כאלה, אבל אולי נדע את התשובה ב-20 השנים הקרובות."
לתאוריה הפוסט-קוונטית יש השלכות מעבר לכבידה הנחת היסוד הבעייתית והשנויה במחלוקת של "מדידה" בתורת הקוונטים אינה נחוצה, מכיוון שסופרפוזיציות קוונטיות בהכרח מקומיות דרך האינטראקציה שלהן עם המרחב-זמן הקלאסי.
התאוריה עלתה בעקבות או בזכות ניסיונו של פרופסור אופנהיים לפתור את בעיית החור השחור. על-פי תורת הקוונטים הסטנדרטית, עצם שנכנס לתוך חור שחור אמור להקרין חזרה בדרך כלשהי מכיוון שמידע אינו יכול להיהרס, אבל זה מנוגד לתורת היחסות הכללית של איינשטיין, שאומרת שאף פעם לא ניתן לדעת על מה עלה בגורלם של עצמים שחצו את אופק האירועים של החור השחור. התאוריה החדשה מאפשרת הרס של מידע, עקב שבירה יסודית ביכולת החיזוי.
מכניקת הקוונטים –
כל החומר ביקום מציית לחוקי תורת הקוונטים, אבל אנחנו רואים התנהגות קוונטית באופן ברור רק בסדר גודל של אטומים ומולקולות. תורת הקוונטים אומרת לנו שחלקיקים מצייתים לעקרון אי הוודאות של הייזנברג, ואנחנו אף פעם לא יכולים לדעת את המיקום והתנע שלהם באותו זמן. למעשה, אין להם מיקום או תנע מוגדרים עד שאנו מודדים אותם. חלקיקים כמו אלקטרונים יכולים להתנהג יותר כמו גלים ולהתנהג כמעט כאילו הם יכולים להיות בכמה מקומות בבת אחת, פיזיקאים מתארים חלקיקים כנמצאים ב"סופרפוזיציה" של מיקומים שונים).
כבידה – תורת הכבידה של ניוטון פינתה את מקומה לתורת היחסות הכללית של איינשטיין, שקובעת כי כבידה אינה כוח במובן הרגיל. במקום זאת, עצמים כבדים כמו השמש, מעקמים את מרקם המרחב-זמן באופן שגורם לכדור הארץ להקיף אותה. מרחב-זמן הוא רק אובייקט מתמטי המורכב משלושת ממדי המרחב, והזמן נחשב כממד רביעי. תורת היחסות חזתה את היווצרותם של חורים שחורים והמפץ הגדול. היא קובעת שהזמן זורם בקצב שונה בנקודות שונות במרחב, וה-GPS בסמארטפון שלך צריך להתחשב בכך על מנת לקבוע נכונה את המיקום שלך.
הקשר ההיסטורי: התיאוריה שהוצגה על-ידי אופנהיים במאמר הראשי ובמאמר נלווה עם ספרצ’רי, שודה וולר-דיוויס, בה הוצעה הצורה העקבית הכללית ביותר של דינמיקה שבה מערכת קוונטית מתאימה עם מערכת קלאסית. ואז היא מיישמת תיאוריה זו למקרה של תורת היחסות הכללית המצומדת לתורת השדות הקוונטית. היא מבוססת על עבודות קודמות וקהילת פיזיקאים. הרעיון שהכבידה אולי קשורה באופן כלשהו לקריסת פונקציית הגל, מתוארך ל-1966 עם F. Karolyhazy, 1987 עם L. Diosi ו-1996 עם R. Penrose. הרעיון שזיקוק קלאסי-קוונטי יכול להסביר את המקומיות של פונקציית הגל הועלה על-ידי אחרים כולל M. Hall ו- M. Reginatto, Diosi ו-Tilloy, ו-David Poulin. הרעיון שמרחב-זמן עשוי להיות קלאסי מתוארך ל-1950 עם I. Sato, ו-1962 עם C. Moller, אבל שום תאוריה עקבית לא גובשה עד כה.
Nature Communications paper: 10.1038/s41467-023-43348-2