Hur kan man förena de två motstridiga pelarna i modern fysik: kvantteori och gravitation? Under en lång tid trodde forskare att förr eller senare vetenskapen skulle erkänna denna eller den teorin som dominerande, men verkligheten, som alltid, visade sig vara mycket mer intressant. Ny forskning antyder att tyngdekraften kan uppstå genom slumpmässiga fluktuationer på kvantnivå.
Bland de två grundläggande teorierna som förklarar verkligheten runt omkring oss tilltalar kvanteteorin interaktionen mellan de minsta partiklarna av materia, och allmän relativitet avser gravitation och de största strukturerna i hela universumet. Sedan Einsteins dagar har fysiker försökt att överbrygga klyftan mellan dessa läror, men med olika framgång.
Ett sätt att förena tyngdkraften med kvantmekanik var att visa att tyngdkraften är baserad på odelbara materialpartiklar, quanta. Denna princip kan jämföras med hur ljusets kvanta, fotoner, representerar en elektromagnetisk våg. Hittills har forskare inte haft tillräckligt med data för att stödja detta antagande, men Antoine Tilloy (Antoine Tilloy) från Institute of Quantum Optics. Max Planck i Garching, Tyskland, försökte beskriva tyngdekraften med kvantmekanikens principer. Men hur gjorde han det?
Kvantvärlden
I kvantteori beskrivs tillståndet för en partikel av dess vågfunktion. Det till exempel tillåter dig att beräkna sannolikheten för att hitta en partikel på en eller annan punkt i rymden. Innan själva mätningen är det oklart inte bara var partikeln är, utan också om den finns. Själva mätningen skapar bokstavligen verkligheten genom att "förstöra" vågfunktionen. Men kvantmekanik behandlar sällan mätning, varför det är ett av de mest kontroversiella områdena inom fysik. Kom ihåg Schrödingers paradox: du kan inte lösa den förrän du gör en mätning genom att öppna en låda och ta reda på om katten lever eller inte.
En lösning på dessa paradoxer är den så kallade GRW-modellen, som utvecklades i slutet av 1980-talet. Denna teori inkluderar ett sådant fenomen som "flares" - spontana kollaps av kvantsystemets vågfunktion. Resultatet av dess tillämpning är exakt samma som om mätningarna utfördes utan observatörer som sådana. Tilloy modifierade den för att visa hur den kan användas för att komma fram till en tyngdkraftteori. I sin version skapar en blixt som förstör vågfunktionen och tvingar partikeln därigenom att vara på ett ställe också ett gravitationsfält i detta ögonblick i rymden. Ju större kvantsystemet, desto fler partiklar innehåller det och desto mer frekventa flänsar uppstår, vilket skapar ett fluktuerande gravitationsfält.
Det mest intressanta är att medelvärdet på dessa fluktuationer är det mycket tyngdfältet som Newtons gravitationsteori beskriver. Denna strategi för att förena tyngdkraften med kvantmekanik kallas kvasiklassisk: tyngdkraften härrör från kvantprocesser, men förblir en klassisk kraft. "Det finns ingen verklig anledning att ignorera den kvasiklassiska metoden, där tyngdkraften är grundläggande på en grundläggande nivå," säger Tilloy.
Kampanjvideo:
Fenomenet gravitation
Klaus Hornberger från universitetet i Duisburg-Essen i Tyskland, som inte deltog i utvecklingen av teorin, behandlar den med stor sympati. Men forskaren påpekar att innan detta begrepp ligger till grund för en enhetlig teori som förenar och förklarar naturen hos alla grundläggande aspekter av världen runt oss, kommer det att vara nödvändigt att lösa ett antal problem. Tilloy kan till exempel definitivt användas för att få Newtonian gravitation, men dess korrespondens med gravitationsteorin måste fortfarande verifieras med matematik.
Men forskaren håller med om att hans teori behöver en bevisbasis. Till exempel förutspår han att tyngdkraften kommer att bete sig annorlunda beroende på omfattningen av föremålen i fråga: för atomer och för supermassiva svarta hål kan reglerna vara mycket olika. Det är som det kan, om test avslöjar att Tillroys modell verkligen återspeglar verkligheten, och tyngdkraften verkligen är en följd av kvantfluktuationer, så kommer detta att göra det möjligt för fysiker att förstå verkligheten runt oss på en kvalitativt annan nivå.
Vasily Makarov