Hvordan forene de to grunnpilarene i moderne fysikk: kvanteteori og tyngdekraft? Den ene eller begge må gi etter og overgi seg. Den nye tilnærmingen sier at tyngdekraften kan strømme fra tilfeldige svingninger på kvantenivå, noe som gjør kvantemekanikk til den mer grunnleggende av de to teoriene. Våre to viktigste forklaringer på virkeligheten sier at kvanteteori styrer samspillet mellom de minste stoffpartiklene. Generell relativitet handler om tyngdekraften og de største strukturene i universet. Helt siden Einstein opprettet sin berømte teori, har fysikere prøvd å bygge bro mellom dem, men til ingen nytte.
En del av problemet er å vite hvilke deler av hver teori som er grunnleggende for vår virkelighetsforståelse.
En tilnærming til å forene tyngdekraft med kvantemekanikk var å vise at tyngdekraften, på sitt mest grunnleggende nivå, går i udelelige deler - kvanta, akkurat som elektromagnetiske krefter strømmer ut av kvanta kalt fotoner. Men denne veien til teorien om kvantetyngdekraft viste seg å være ufremkommelig.
Og så prøvde Antoine Tilloy fra Max Planck Institute for Quantum Optics i Garching, Tyskland, å komme til tyngdekraften ved å endre standard kvantemekanikk.
I kvante teori er tilstanden til en partikkel beskrevet av dens bølgefunksjon. Bølgefunksjonen lar deg for eksempel beregne sannsynligheten for å finne en partikkel på et bestemt sted under måling. Før måling er det ikke kjent om partikkelen eksisterer, og i så fall hvor. Virkeligheten ser ut til å være skapt av en observasjonshandling som "ødelegger" bølgefunksjonen.
Men kvantemekanikk definerer ikke hva en måling eller observasjon er. Er det for eksempel behov for et bevisst middel - et menneske - i dette tilfellet? Måleproblemet fører til paradokser som Schrödingers katt, der katten kan være både levende og død i en boks på samme tid til noen åpner boksen og ser inn i den.
En løsning på disse paradoksene er den såkalte GRW-modellen, som ble utviklet på slutten av 1980-tallet. Det inkluderer "bursts", som er tilfeldige spontane kollaps av bølgefunksjonen til kvantesystemer. Resultatet er nøyaktig det samme som om målingene ble tatt, men uten en åpenbar observatør.
Tilloy modifiserte denne modellen for å vise hvordan den kunne føre til en teori om tyngdekraften. I denne modellen, når en fakkel ødelegger bølgefunksjonen og tvinger partikkelen til å være på ett sted, skaper den et gravitasjonsfelt i det øyeblikket i romtid. Et massivt kvantesystem med et stort antall partikler viser mange fakler, og med det svingninger i tyngdekraftsfeltet.
Salgsfremmende video:
Det viser seg at man i gjennomsnitt, fra disse svingningene, kunne forvente et gravitasjonsfelt som oppstod fra Newtons teori om tyngdekraft (for mer detaljer, se arxiv.org/abs/1709.03809). Denne tilnærmingen til å kombinere tyngdekraft med kvantemekanikk kalles semiklassisk: tyngdekraften følger av kvanteprosesser, men forblir en klassisk kraft. "Det er ingen grunn til å ignorere denne semiklassiske tilnærmingen, der tyngdekraften forblir klassisk på et grunnleggende nivå," sier Tilloy.
"I utgangspunktet liker jeg denne ideen," sier Klaus Hornberger ved Universitetet i Duisburg-Essen i Tyskland. Men han bemerker også at andre problemer må løses før denne tilnærmingen blir en alvorlig utfordrer for å forene alle de grunnleggende kreftene som ligger til grunn for fysikkens lover i stor og liten skala. For eksempel kan Tilloys modell brukes til å utlede tyngdekraften beskrevet av Newtons teori, men matematikere har ennå ikke bestemt om den effektivt vil beskrive tyngdekraften innenfor rammen av Einsteins generelle relativitetsteori.
Likevel gjør modellen hans prediksjoner som kan bekreftes. For eksempel spår hun at tyngdekraften vil oppføre seg annerledes i atomskalaen og i stor skala. Hvis tester viser at Tilloys modell stemmer med virkeligheten, og tyngdekraften faktisk følger av kollapsende kvantumsvingninger, ville dette være en viktig indikasjon på at en teori om alt vil omfatte semiklassisk tyngdekraft.
Ilya Khel
