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将爱因斯坦引力与量子力学结合起来的新理论

将爱因斯坦引力与量子力学结合起来的新理论

一种新理论挑战了现代物理学的基础,认为时空是经典的,而不是量子的。 该理论预测时空会出现更大的波动,从而影响物体的重量。 拟议的实验,例如测量 1 公斤质量的重量波动,旨在测试这一开创性概念,这可能会彻底改变我们对重力和时空的理解。

伦敦大学学院(UCL)的物理学家今天在同时发表的两篇论文中宣布了一种激进的理论,该理论始终将引力和量子力学统一起来,同时保留了爱因斯坦的经典时空概念。

现代物理学基于两大支柱:一方面是量子理论,它控制着宇宙中最小的粒子;另一方面是爱因斯坦的广义相对论,它通过时空曲率解释引力。 但这两种理论相互矛盾,一个多世纪以来一直难以达成和解。

挑战现状:新的理论方法

普遍的假设是爱因斯坦的引力理论必须被修改或“量子化”以适应量子理论。 这是量子引力理论的两个主要候选者——弦理论和圈量子引力——所采用的方法。

但乔纳森·奥本海姆教授(加州大学洛杉矶分校物理和天文学)提出了一种新理论,并在一篇新论文中提出…… 物理评论 他挑战了这一共识,并采取了另一种方法,认为时空可能是经典的——也就是说,根本不受量子理论的支配。

经典引力的后量子理论

该图像描绘了一个实验,其中重粒子(以月球为例)引起干涉图案(量子效应),同时也导致时空弯曲。 悬挂的摆使时空测量可视化。 实际实验通常使用碳 60 进行,碳 60 是已知最大的分子之一。 UCL 计算表明该实验还应该使用更高密度的原子(例如金)进行。 另外两张图像代表伦敦大学学院小组提出的实验,这两个图像都限制了任何经典处理时空的理论。 一是质量的重量,二是干涉实验。 图片来源:艾萨克·杨

该理论被称为“经典引力的后量子理论”,而不是修改时空,而是修改了量子理论,并预测时空本身的可预测性将发生根本崩溃。 这会导致时空发生随机而剧烈的波动,其幅度比量子理论中想象的要大,如果以足够的精度测量,物体的表观重量将变得不可预测。

实证检验和理论意义

第二篇论文同时发表于 自然通讯 在奥本海姆教授以前的博士生的带领下,他研究了该理论的一些后果,并提出了一个实验来测试它:非常精确地测量质量,看看它的重量是否会随着时间的推移而波动。

例如,法国国际计量局通常称量1公斤的质量,并以此作为1公斤的标准。 如果这 1 公斤质量的测量波动小于数学一致性所需的波动,则可以排除该理论。

精密质量测量

质量重量——伦敦大学学院小组提出的一项实验,限制了任何经典处理时空的理论。 图片来源:艾萨克·杨

该实验的结果,或者其他证实时空的量子性质与经典性质的新证据,是奥本海姆教授、卡洛·罗维利教授和杰夫·彭宁顿博士之间 5000:1 概率打赌的主题,他们是量子理论的主要支持者。量子环引力。 和弦理论。

伦敦大学学院研究小组的五年研究

在过去的五年里,加州大学洛杉矶分校的一个研究小组一直在测试该理论并探索其后果。

奥本海姆教授表示:“量子理论和爱因斯坦的广义相对论在数学上是互不相容的,因此了解如何解决这一矛盾很重要。时空应该是量子的,还是我们应该修改量子理论,或者是某种东西?”完全不同吗?我们是否有一个一致的基本理论,即时空不能量子化,谁也说不准。

“这一发现挑战了我们对重力基本性质的理解,但也提供了探索其影响的方法,”合著者扎克·惠勒-戴维斯(Zach Wheeler-Davies)说,他作为加州大学洛杉矶分校的博士生,帮助制定了实验方案并对该理论做出了关键贡献本身。 潜在的量子性质

“我们已经证明,如果时空不具有量子性质,那么时空曲率必然存在随机波动,并且具有可以通过实验验证的特定特征。

“在量子引力和经典引力中,时空在我们周围一定正在经历剧烈的、随机的波动,但其规模我们尚未能够检测到。但如果时空是经典的,那么波动必须大于一定的规模,这个比例可以从另一个实验中确定,在该实验中我们测试了我们可以放置重物多长时间 玉米 在两个不同地点存在的叠加。”

共同作者的贡献和见解

共同作者卡洛·斯帕拉恰里 (Carlo Sparacciari) 博士和芭芭拉·古达 (Barbara Gouda) 博士的分析和数值计算帮助指导了该项目,他们表示希望这些实验将确定追求量子引力理论是否是正确的方法。

“由于引力是通过空间和时间的弯曲而出现的,所以我们可以从时间流动的速率是否具有量子性质或经典性质来思考这个问题。

“测试这一点几乎与测试质量的重量是否恒定或以某种方式波动一样简单。”

Sparacari博士(伦敦大学学院物理与天文学)说:“虽然实验概念很简单,但对物体的称重必须非常精确。

“但我发现令人兴奋的是,从非常普遍的假设开始,我们可以证明两个可测量量之间的明确关系——时空涨落的大小,以及原子或苹果等物体可以放置在两个量子叠加中的时间。不同的地点。” 。 然后我们可以通过实验确定这两个量。

惠勒-戴维斯补充道:“如果像原子这样的量子粒子能够弯曲经典时空,就必须存在精确的相互作用。原子的波动性与时空的随机涨落有多大之间必须存在基本的权衡。 ”。

更广泛的影响和未来的实验

通过寻找质量的随机涨落来测试时空是否经典的提议与另一个实验提议相补充,该提议旨在通过寻找所谓的“引力介导的纠缠”来验证时空的量子性质。

“测试时空本质的实验需要大规模的努力,但从理解基本定律的角度来看,它们非常重要,”未参与该项目的加州大学洛杉矶分校物理与天文学教授 Sugato Bose 说道。今天宣布的,却是最早提出纠缠实验的人之一。对于大自然来说,我认为这些实验是触手可及的,而这些事情很难预测,但也许在未来20年内我们就会知道答案。

后量子理论的影响超出了引力。 量子理论中不需要臭名昭著且有问题的“测量公理”,因为量子叠加必然通过与经典时空的相互作用而局域化。

该理论的灵感源自奥本海姆教授试图解决这个问题 黑洞 信息问题。 根据标准量子理论,进入黑洞的物体必须以某种方式辐射回来,这样信息就不会被破坏,但这违反了广义相对论,广义相对论说你永远不知道什么物体穿过黑洞的事件视界。 由于可预测性的根本崩溃,新理论允许信息被破坏。

背景资料

量子力学

宇宙中的所有物质都遵守量子理论定律,但我们只能观察到原子和分子层面的量子行为。 量子理论告诉我们,粒子遵循海森堡测不准原理,我们永远无法同时知道它们的位置或速度。 事实上,它甚至没有具体的位置或速度供我们测量。 像电子这样的粒子可以表现得像波,并且表现得好像它们可以同时出现在许多地方(更准确地说,物理学家将粒子描述为处于不同位置的“叠加”)。

量子理论主宰一切 半导体 它在计算机芯片、激光器、超导和放射性衰变中随处可见。 相反,如果一个系统具有某些基本属性,我们就说它是经典行为的。 猫的行为似乎很经典——它要么是死的,要么是活的,而不是两者都是,也不处于生与死重叠的状态。 为什么猫的行为是经典的,而小分子的行为是量子的? 我们不知道,但后量子理论不需要测量公理,因为时空经典主义适用于量子系统并导致它们局域化。

重力

牛顿的万有引力理论让位于爱因斯坦的广义相对论,后者认为引力不是通常意义上的力。 相反,像太阳这样的重物体会弯曲时空结构,从而使地球围绕它们旋转。 时空只是由空间的三个维度组成的数学对象,而时间被认为是第四个维度。 广义相对论预言了黑洞的形成和大爆炸。 它指出时间在空间的不同点以不同的速率流动,并且 全球定位系统 您的智能手机需要考虑到这一点才能正确确定您的位置。

历史背景

奥本海姆在 PRX 以及与 Sparacari、Soda 和 Wheeler-Davies 合作的一篇附带论文中提出的框架,推导了量子系统与经典系统相互作用的最一般的动力学形式。 然后将该框架应用于广义相对论与量子场论相结合的情况。 它建立在以前的工作和物理学家社区的基础上。 Bose 等人提出了一项通过引力介导的纠缠来测试引力量子性质的实验。 这。 以及 C. Marletto 和 V.Vadral 着。 一致的经典量子动力学的两个例子由 Blanchard、A. Gadzik 和 Lajos Deussi 博士在 20 世纪 90 年代发现,David Bolin 在 2017 年左右再次发现。 从不同的角度来看,2014年,量子耦合牛顿引力模型被发现。 通过“测量和反馈”方法的系统由 Deucy 和 Antoine Thiloi 于 2016 年引入,De Caffrey, J. 泰勒,J. 墨尔本,2014 年。重力可能与波函数塌缩在某种程度上有关的想法可以追溯到 F. Karolyhazy (1966)、L. Diosi (1987) 和 R. 彭罗斯(1996)。 经典量子耦合可以解释波函数局域化,并且已由其他人提出,包括 M. Hall 和 M. 雷吉纳托、迪奥西和蒂洛伊以及大卫·普林​​。 时空可能是经典的想法可以追溯到我。 佐藤 (1950),C. Muller (1962),但尚未找到一致的理论。

参考:

乔纳森·奥本海姆(Jonathan Oppenheim)的“经典引力的后量子理论”,2023 年 12 月 4 日, 体检
联系

2023 年 12 月 4 日, 自然通讯
号码:10.1038/s41467-023-43348-2

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