Una teoria radicale che unifica in modo coerente gravità e meccanica quantistica preservando al tempo stesso il concetto classico di spaziotempo di Einstein è stata annunciata in due articoli pubblicati simultaneamente dai fisici dell'UCL (University College di Londra).
La fisica moderna si fonda su due pilastri:da un lato la teoria quantistica, che governa le particelle più piccole dell'universo, e dall'altro la teoria della relatività generale di Einstein, che spiega la gravità attraverso la curvatura dello spaziotempo. Ma queste due teorie sono in contraddizione tra loro e una riconciliazione è rimasta sfuggente per oltre un secolo.
L'ipotesi prevalente è stata che la teoria della gravità di Einstein debba essere modificata, o "quantizzata", per adattarsi alla teoria quantistica. Questo è l'approccio di due principali candidati per una teoria quantistica della gravità, teoria delle stringhe e gravità quantistica a loop.
Ma una nuova teoria, sviluppata dal professor Jonathan Oppenheim (UCL Physics &Astronomy) e esposta in un articolo su Physical Review X, sfida questo consenso e adotta un approccio alternativo suggerendo che lo spaziotempo potrebbe essere classico, cioè non governato affatto dalla teoria quantistica.
Invece di modificare lo spaziotempo, la teoria – soprannominata “teoria postquantistica della gravità classica” – modifica la teoria quantistica e prevede un crollo intrinseco della prevedibilità mediato dallo spaziotempo stesso. Ciò si traduce in fluttuazioni casuali e violente nello spaziotempo che sono più grandi di quanto previsto dalla teoria quantistica, rendendo imprevedibile il peso apparente degli oggetti se misurato con sufficiente precisione.
Un secondo articolo, pubblicato contemporaneamente su Nature Communications e guidato dall'ex dottorato di ricerca del professor Oppenheim. studenti, esamina alcune conseguenze della teoria e propone un esperimento per testarla:misurare una massa in modo molto preciso per vedere se il suo peso sembra fluttuare nel tempo.
Ad esempio, l’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure in Francia pesa abitualmente una massa di 1 kg che in passato era lo standard di 1 kg. Se le fluttuazioni nelle misurazioni di questa massa di 1 kg sono inferiori a quanto richiesto per coerenza matematica, la teoria può essere esclusa.
Il risultato dell'esperimento, o altre prove emergenti che confermerebbero la natura quantistica rispetto a quella classica dello spaziotempo, è oggetto di una scommessa con una quota di 5000:1 tra il professor Oppenheim, il professor Carlo Rovelli e il dottor Geoff Penington, i principali sostenitori del ciclo quantistico. gravità e teoria delle stringhe rispettivamente.
Negli ultimi cinque anni, il gruppo di ricerca dell'UCL ha sottoposto a stress test la teoria ed esplorato le sue conseguenze.
Il professor Oppenheim ha detto:"La teoria quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein sono matematicamente incompatibili tra loro, quindi è importante capire come viene risolta questa contraddizione. Lo spaziotempo dovrebbe essere quantizzato, o dovremmo modificare la teoria quantistica, o è qualcos'altro completamente diverso?" Ora che abbiamo una teoria fondamentale coerente in cui lo spaziotempo non viene quantizzato, nessuno può indovinarlo."
Il coautore Zach Weller-Davies, che come dottorato di ricerca. Uno studente dell'UCL ha contribuito a sviluppare la proposta sperimentale e ha dato un contributo chiave alla teoria stessa, ha affermato:"Questa scoperta mette alla prova la nostra comprensione della natura fondamentale della gravità, ma offre anche strade per sondare la sua potenziale natura quantistica.
"Abbiamo dimostrato che se lo spaziotempo non ha una natura quantistica, allora devono esserci fluttuazioni casuali nella curvatura dello spaziotempo che hanno una firma particolare che può essere verificata sperimentalmente.
"Sia nella gravità quantistica che nella gravità classica, lo spaziotempo deve subire fluttuazioni violente e casuali intorno a noi, ma su una scala che non siamo ancora stati in grado di rilevare. Ma se lo spaziotempo è classico, le fluttuazioni devono essere più grandi di un certa scala, e questa scala può essere determinata da un altro esperimento in cui testiamo per quanto tempo possiamo sovrapporre un atomo pesante in due posizioni diverse."
I coautori Dr. Carlo Sparaciari e Dr. Barbara Šoda, i cui calcoli analitici e numerici hanno contribuito a guidare il progetto, hanno espresso la speranza che questi esperimenti possano determinare se la ricerca di una teoria quantistica della gravità sia l'approccio giusto.
Il dottor Šoda (ex UCL Physics &Astronomy, ora presso il Perimeter Institute of Theoretical Physics, Canada) ha affermato:"Poiché la gravità si manifesta attraverso la curvatura dello spazio e del tempo, possiamo pensare alla domanda in termini di se la velocità a il tempo in cui scorre ha natura quantistica, o natura classica.
"E verificarlo è semplice quasi quanto verificare se il peso di una massa è costante o sembra fluttuare in un modo particolare."
Il Dr. Sparaciari (UCL Physics &Astronomy) ha affermato:"Sebbene il concetto sperimentale sia semplice, la pesatura dell'oggetto deve essere eseguita con estrema precisione.
"Ma quello che trovo interessante è che, partendo da presupposti molto generali, possiamo dimostrare una chiara relazione tra due quantità misurabili:la scala delle fluttuazioni dello spaziotempo e per quanto tempo oggetti come atomi o mele possono rimanere in sovrapposizione quantistica di due posizioni diverse. . Possiamo quindi determinare sperimentalmente queste due quantità."
Weller-Davies ha aggiunto:"Deve esistere una delicata interazione se le particelle quantistiche come gli atomi sono in grado di piegare lo spaziotempo classico. Deve esserci un compromesso fondamentale tra la natura ondulatoria degli atomi e quanto grandi devono essere le fluttuazioni casuali nello spaziotempo". ."
La proposta di verificare se lo spaziotempo è classico cercando fluttuazioni casuali nella massa è complementare a un'altra proposta sperimentale che mira a verificare la natura quantistica dello spaziotempo cercando qualcosa chiamato "entanglement mediato gravitazionalmente".
Il professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy), che non è stato coinvolto nell'annuncio di oggi, ma è stato tra quelli che per primi hanno proposto l'esperimento di entanglement, ha detto:"Gli esperimenti per testare la natura dello spaziotempo richiederanno uno sforzo su larga scala, ma non sono di enorme importanza dal punto di vista della comprensione delle leggi fondamentali della natura. Credo che questi esperimenti siano a portata di mano:queste cose sono difficili da prevedere, ma forse conosceremo la risposta entro i prossimi 20 anni."
La teoria postquantistica ha implicazioni che vanno oltre la gravità. Il famigerato e problematico "postulato della misurazione" della teoria quantistica non è necessario, poiché le sovrapposizioni quantistiche si localizzano necessariamente attraverso la loro interazione con lo spaziotempo classico.
La teoria è stata motivata dal tentativo del professor Oppenheim di risolvere il problema dell'informazione del buco nero. Secondo la teoria quantistica standard, un oggetto che entra in un buco nero dovrebbe essere irradiato indietro in qualche modo poiché le informazioni non possono essere distrutte, ma ciò viola la relatività generale, secondo la quale non si può mai sapere se gli oggetti attraversano l'orizzonte degli eventi del buco nero. La nuova teoria consente la distruzione delle informazioni, a causa di una fondamentale rottura della prevedibilità.
Ulteriori informazioni: Una teoria postquantistica della gravità classica?, Physical Review X (2023). journals.aps.org/prx/abstract/ … 3/PhysRevX.13.041040 . Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.1811.03116
Jonathan Oppenheim et al, Decoerenza indotta gravitazionalmente rispetto alla diffusione spazio-temporale:testare la natura quantistica della gravità, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43348-2. www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2
Informazioni sul giornale: Revisione fisica X
Fornito da University College London
