Czy to już? Teoria wszystkiego została odkryta?

Radykalna teoria, która konsekwentnie łączy grawitację i mechanikę kwantową, zachowując jednocześnie klasyczną koncepcję czasoprzestrzeni Einsteina, została ogłoszona w dwóch artykułach opublikowanych przez fizyków z UCL (University College London). Czy może być to teoria wszystkiego?

Współczesna fizyka opiera się na dwóch filarach – teorii kwantowej z jednej strony, która rządzi najmniejszymi cząstkami we wszechświecie, oraz ogólnej teorii względności Einsteina z drugiej, która wyjaśnia grawitację poprzez zakrzywienie czasoprzestrzeni. Te dwie teorie stoją jednak ze sobą w sprzeczności, a ich pogodzenie pozostawało nieuchwytne od ponad stu lat. Połączeniem tych dwóch filarów miała być teoria wszystkiego.

Dominującym założeniem było to, że teoria grawitacji Einsteina musi zostać zmodyfikowana lub „skwantowana”, aby pasowała do teorii kwantowej. Jest to podejście dwóch wiodących kandydatów na kwantową teorię grawitacji, teorii strun i pętlowej grawitacji kwantowej.

Jednak nowa teoria, opracowana przez profesora Jonathana Oppenheima (UCL Physics & Astronomy) i przedstawiona w artykule w Physical Review X, podważa ten konsensus i przyjmuje alternatywne podejście, sugerując, że czasoprzestrzeń może być klasyczna – to znaczy w ogóle nie podlegać teorii kwantowej.

Zamiast modyfikować czasoprzestrzeń, teoria nazwana „postkwantową teorią klasycznej grawitacji”, modyfikuje teorię kwantową i przewiduje wewnętrzne załamanie przewidywalności, w którym pośredniczy sama czasoprzestrzeń. Skutkuje to losowymi i gwałtownymi fluktuacjami w czasoprzestrzeni, które są większe niż przewidywano w teorii kwantowej, sprawiając, że pozorna waga obiektów jest nieprzewidywalna, jeśli zostanie zmierzona wystarczająco dokładnie.

Druga praca, opublikowana jednocześnie w Nature Communications stworzona przez byłych doktorantów profesora Oppenheima, przedstawia niektóre konsekwencje tej teorii i proponuje eksperyment, aby ją przetestować, czyli zmierzyć masę danego obiektu bardzo dokładnie, aby sprawdzić, czy zmienia się ona w czasie.

Na przykład Międzynarodowe Biuro Miar i Wag we Francji rutynowo waży masę 1 kg, która kiedyś była standardem dla tej jednostki. Jeśli wahania w pomiarach tej masy 1 kg są mniejsze niż wymagane dla spójności matematycznej, teorię można wykluczyć.

Przez ostatnie pięć lat grupa badawcza UCL testowała tę teorię i badała jej konsekwencje.

„Teoria kwantowa i ogólna teoria względności Einsteina są ze sobą matematycznie niezgodne, dlatego ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób rozwiązuje się tę sprzeczność. Czy czasoprzestrzeń powinna być skwantowana, czy powinniśmy zmodyfikować teorię kwantową, czy może chodzi o coś zupełnie innego? Teraz, gdy mamy spójną fundamentalną teorię, w której czasoprzestrzeń nie jest kwantowana, nikt nie ma wątpliwości” – powiedział profesor Oppenheim.

„To odkrycie podważa nasze rozumienie fundamentalnej natury grawitacji, ale także oferuje możliwości zbadania jej potencjalnej kwantowej natury. Wykazaliśmy, że jeśli czasoprzestrzeń nie ma natury kwantowej, to muszą istnieć przypadkowe fluktuacje w krzywiźnie czasoprzestrzeni, które mają określoną sygnaturę, którą można zweryfikować eksperymentalnie” – powiedział spółautor Zach Weller-Davies, który jako doktorant na UCL pomógł opracować propozycję eksperymentu i wniósł kluczowy wkład w samą teorię.

„Zarówno w przypadku grawitacji kwantowej, jak i klasycznej, czasoprzestrzeń musi podlegać gwałtownym i przypadkowym fluktuacjom wokół nas, ale w skali, której nie byliśmy jeszcze w stanie wykryć. Ale jeśli czasoprzestrzeń jest klasyczna, fluktuacje muszą być większe niż pewna skala, a skalę tę można określić w innym eksperymencie, w którym sprawdzamy, jak długo możemy umieścić ciężki atom w superpozycji, będąc w dwóch różnych lokalizacjach” – dodał.

Współautorzy, dr Carlo Sparaciari i dr Barbara Šoda, których obliczenia analityczne i numeryczne pomogły w prowadzeniu projektu, wyrazili nadzieję, że eksperymenty te mogą określić, czy dążenie do kwantowej teorii grawitacji jest właściwym podejściem.

„Ponieważ grawitacja objawia się poprzez zaginanie przestrzeni i czasu, możemy myśleć o tym pytaniu w kategoriach tego, czy tempo, w jakim płynie czas, ma naturę kwantową, czy klasyczną. A sprawdzenie tego jest prawie tak proste, jak sprawdzenie czy ciężar masy jest stały, czy też wydaje się wahać w określony sposób” – powiedział dr Šoda badacz w Perimeter Institute of Theoretical Physics w Kanadzie.

„Podczas gdy koncepcja eksperymentu jest prosta, ważenie obiektu musi być przeprowadzone z niezwykłą precyzją. Ale to, co uważam za ekscytujące, to fakt, że wychodząc z bardzo ogólnych założeń, możemy udowodnić wyraźny związek między dwiema mierzalnymi wielkościami, czyli skalą fluktuacji czasoprzestrzeni i tym, jak długo obiekty takie jak atomy lub jabłka mogą znajdować się w superpozycji kwantowej w dwóch różnych lokalizacjach. Następnie możemy określić te dwie wielkości eksperymentalnie” – skomentował dr Sparaciari z Physics & Astronomy University College London.

„Musi istnieć delikatna interakcja, jeśli cząstki kwantowe, takie jak atomy, są w stanie zaginać klasyczną czasoprzestrzeń. Musi istnieć fundamentalny kompromis między falową naturą atomów a tym, jak duże muszą być przypadkowe fluktuacje w czasoprzestrzeni. Propozycja sprawdzenia czy czasoprzestrzeń jest klasyczna, poprzez poszukiwanie przypadkowych fluktuacji masy, jest komplementarna z inną propozycją eksperymentalną, która ma na celu zweryfikowanie kwantowej natury czasoprzestrzeni poprzez poszukiwanie czegoś, co nazywa się «splątaniem za pośrednictwem grawitacji»” – powiedział Weller-Davies.

Profesor Sougato Bose z Physics & Astronomy University College London, który jako jeden z pierwszych naukowców zaproponował eksperyment splątania, powiedział: „Eksperymenty mające na celu przetestowanie natury czasoprzestrzeni będą wymagały wysiłku na dużą skalę, ale mają ogromne znaczenie z punktu widzenia zrozumienia podstawowych praw natury. Wierzę, że te eksperymenty są w zasięgu ręki – te rzeczy są trudne do przewidzenia, ale być może poznamy odpowiedź w ciągu najbliższych 20 lat”.

Teoria postkwantowa ma implikacje wykraczające poza grawitację. Niesławny i problematyczny „postulat pomiarowy” teorii kwantowej nie jest potrzebny, ponieważ superpozycje kwantowe koniecznie lokalizują się poprzez interakcję z klasyczną czasoprzestrzenią. Może to być teoria wszystkiego.

Nowa teoria powstała dzięki profesorowi Oppenheimowi, który poszukiwał rozwiązania problemu informacji o czarnych dziurach. Zgodnie ze standardową teorią kwantową, obiekt wpadający do czarnej dziury powinien zostać w jakiś sposób wypromieniowany z powrotem, ponieważ informacja nie może zostać zniszczona, ale narusza to ogólną teorię względności, która mówi, że nie można być pewnym losu obiektów, które przekraczają horyzont zdarzeń czarnej dziury. Nowa teoria pozwala na zniszczenie informacji z powodu fundamentalnego załamania przewidywalności. Czy właśnie teoria wszystkiego została odkryta?

Emil Gołoś