Quando studiano un sistema complesso, gli scienziati identificano pezzi più piccoli chiamati sottosistemi a cui possono dare un senso. Studiando i sottosistemi e le correlazioni tra di essi, ricostruiscono una comprensione dell'insieme.

Questo approccio è stato utilizzato con grande successo per spiegare i fenomeni e sviluppare applicazioni basate sulla meccanica quantistica, la fisica della materia e dell'energia alla scala dell'atomo o inferiore. Ma descrive in gran parte sistemi che operano in un mondo in cui il tempo è assoluto.

Non è all'altezza quando si descrivono scenari che considerano la teoria della relatività generale di Einstein, dove il tempo è relativo e strettamente intrecciato con lo spazio in uno spaziotempo quadridimensionale.

Ora, uno studio teorico co-autore di Alexander Smith, assistente professore a contratto di fisica, e Shadi Ali Ahmad '22, propone un nuovo quadro per identificare sottosistemi e correlazioni in un modo compatibile con la relatività generale.

Il loro lavoro può essere applicato nella costruzione di una descrizione quantistica dello spaziotempo, dice Smith. I fisici teorici hanno cercato a lungo di combinare la meccanica quantistica e la relatività generale nella teoria unificata della gravità quantistica. I tentativi di riconciliare finalmente queste teorie fondamentalmente diverse che descrivono l'universo sono progrediti negli ultimi due decenni.

Il nuovo framework, pubblicato ad aprile nelle Physical Review Letters journal, si basa sul lavoro precedente sui sottosistemi della professoressa di fisica della famiglia James Frank Lorenza Viola e dei suoi collaboratori.

"La meccanica quantistica consente correlazioni che non sono coerenti con la nostra comprensione classica del mondo", afferma Smith. Viola e i suoi collaboratori ci hanno fornito un nuovo modo di pensare a queste bizzarre correlazioni quantistiche, dice. Nella loro struttura, invece di avere parti di edificio composite che sono incollate insieme in un sistema più ampio, i sottosistemi derivano dal sistema complesso basato sul tipo di misurazioni che si possono effettuare.

Smith, Ahmad e i loro collaboratori applicano questa idea per costruire una struttura per l'identificazione dei sottosistemi, che sia coerente con la teoria della relatività, e scoprono che la nozione di sottosistema non è più oggettiva.

"Anche il modo in cui partizioniamo un sistema è relativo. Dipende da chi lo sta guardando", afferma Smith. Sebbene il loro metodo si applichi attualmente a sistemi semplici, gli autori stanno lavorando per generalizzare il framework.

Diversi concetti teorici che stanno guidando la comprensione emergente della gravità quantistica hanno la loro origine nella teoria dell'informazione quantistica, un campo relativamente nuovo che studia come le informazioni in un sistema quantistico possono essere analizzate e manipolate. "La scienza dell'informazione quantistica ci ha fornito questo modo completamente nuovo di pensare alla meccanica quantistica stessa", afferma Smith.

Lavorando con Smith e altri ricercatori, Ahmad, originario di Beirut, Libano, e laureato in fisica e matematica, ha utilizzato la teoria dell'informazione quantistica per studiare una serie di diversi problemi teorici.

In un lavoro precedente, pubblicato in Physical Review D , sono stati i primi a esaminare in che modo le onde gravitazionali, le increspature nello spaziotempo causate dall'accelerazione di enormi oggetti astronomici a livelli estremi, influiscono sull'entanglement tra i sistemi.

Un altro progetto, pubblicato su Physical Review A , affronta la questione di come il lavoro, la misura di quanta energia viene trasferita quando una forza agisce su un oggetto, può essere definito su scala quantistica.

Smith dice che Ahmad è uno degli studenti più motivati ​​a imparare, laboriosi e produttivi che abbia mai incontrato. "Vedere Shadi sviluppare le sue capacità di fisica teorica negli ultimi quattro anni è stato molto gratificante", afferma.

Ahmad ha vinto il Gazzaniga Family Science Award 2022, che riconosce i risultati scientifici di un laureato in scienze. È anche il destinatario del Premio della Cattedra di Fisica e Astronomia.

"La teoria quantistica dell'informazione è una cassetta degli attrezzi da cui mi piace prendere in prestito e utilizzare ampiamente", afferma Ahmad. La promessa di accesso a opportunità di ricerca e finanziamenti universitari è stata ciò che lo ha portato a Dartmouth, dice. Ora ricercatore a Dartmouth, Ahmad sta concludendo i progetti in corso mentre si prepara a candidarsi ai corsi di laurea.

Con le lezioni come trampolino di lancio, ha cercato mentori di ricerca nei dipartimenti di fisica e matematica, collaborando con loro su un'ampia gamma di argomenti di ricerca.

"Parlare di scienza con le persone modella il tuo modo di pensare", afferma Ahmad, che ha già tre pubblicazioni al suo attivo. "Penso che acuisca davvero il tuo interesse." + Esplora ulteriormente

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