Waarom kan Quantum Mechanics de zwaartekracht niet verklaren? (Op-ED)

Paul Sutter is astrofysicus aan de Ohio State University en de hoofdwetenschapper bij COSI Science Center. Sutter is ook gastheer van de podcasts Ask a Spaceman en RealSpace, en de YouTube-serie Space In Your Face. Sutter heeft dit artikel bijgedragen aan de Expert Voices van ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights.

Kwantificerende zwaartekracht - en voor de zwakkeren van hart, maak je geen zorgen, we zullen bepalen wat dat snel genoeg betekent - kan het niet zijn dat moeilijk, kan het? Ik bedoel, we hebben de andere krachten - elektromagnetisme, sterke nucleaire en zwakke nucleaire - allemaal gekwantiseerd als niemand anders. Zeker, de zwaartekracht, de eenvoudigste en meest pure kracht, zou een fluitje van een cent zijn, een leuk klein toetje om ons kwantumfestijn in te pakken. Rechts?

Laten we eens kijken naar een eenvoudig voorbeeld om de problemen op gang te krijgen: elektron ontmoet foton. Wat gebeurt er? Wat gebeurt er concreet in een volledig kwantumfysische beschrijving van de gebeurtenis? Stuiteren ze gewoon op elkaar? Kunnen fotonen zelfs "stuiteren"? Hoe wordt energie of momentum uitgewisseld? Zullen ze verliefd worden of elkaar op het eerste gezicht haten?

Er zijn een paar dingen die dit scenario ingewikkelder maken dan bijvoorbeeld het proberen om een ​​restaurantcontrole te splitsen. Een complicatie is dat fotonen naar believen kunnen worden gemaakt of vernietigd. Het is zo gemakkelijk, je denkt er niet eens aan. Draai een schakelaar, en triljoenen fotonen stromen uit de lamp, ervaar kort alle vreugden en vrijheden die het leven kan brengen, om vervolgens uit het bestaan ​​te worden geduwd zodra ze een muur raken en worden opgenomen door de atomen ervan. Harteloos en onverschillig, je gaat door met je dag. Monster. [Greatest Mysteries: Wat veroorzaakt zwaartekracht?]

En aangezien materie en energie twee kanten van dezelfde speciaal-relativistische munt zijn - net zoals ruimte en tijd met elkaar verbonden zijn in een enkel kader - als energie kan worden gecreëerd of vernietigd, dan kan ook massa. Je kunt fotonen maken, en je kunt elektronen maken. Heb je een lege doos? Poof, zoals magie, ze kunnen verschijnen! Of verdwijnen! Wat dan ook! Natuurlijk, als ze verschijnen, zullen ze meteen verdwijnen - het stelen van energie uit het vacuüm om slechts een klein beetje te bestaan; meer kunnen ze niet verzamelen. Maar als je al iets hebt - laten we zeggen, een foton dat zinkt - kan het zichzelf veranderen in een elektron en positron zonder het zelfs te beseffen. En die deeltjes kunnen zichzelf terug in een foton veranderen als ze daar zin in hebben. Het is serieus net zo eenvoudig. Materie en energie zijn echt hetzelfde en kunnen net zo gemakkelijk van vorm veranderen als van shirt veranderen.

Natuurlijk zijn er regels en beperkingen, maar een echte goochelaar onthult nooit zijn geheimen.

Quantum versus al het andere

Het is maar goed dat ik geen goochelaar ben, en ik kan geen geheimen bewaren. Hier is hoe dit aan elkaar hangt. Aan de ene kant heb je de ouderwetse, 1800's, baard-en-boven-hoed-weergave van de wereld of, met andere woorden, het "klassieke" beeld van de natuurkunde. Deze foto is geverfd in doorlopende kleuren, bijvoorbeeld elektromagnetische velden die elegant en soepel bewegen en golven.

Maar het kwantumbeeld van de werkelijkheid is compleet anders - zo verschillend dat we de foto ervan een nieuwe naam hebben gegeven: quantum. We noemden het kwantummechanica. Het staat in de naam, dus ik dacht dat het zou gebeuren ... laat maar. In plaats van soepel en continu, is de kwantumwereld rafelig en blokkerig: dingen kunnen bijvoorbeeld alleen bepaalde specifieke energieniveaus hebben, of bepaalde hoeveelheden impulsmoment.

Als het gaat om elektromagnetische velden, was de verzoening tussen het klassieke beeld van de oude school en het quantumbeeld van de nieuwe hitte om te creëren - ben je daar klaar voor? - een kwantum elektromagnetisch veld. Wauw! Wat een inzicht! Zo makkelijk. Dat lost alles volledig op.

Wat in de deurklink betekent dat?

Het betekent dat er een elektromagnetische is veld- dat doordringt ruimte-tijd - zoals het onderdompelen van brood in wat olijfolie. Het brood is ruimte-tijd. En de olijfolie is het elektromagnetische veld.

Dat elektromagnetische veld kan rondzwaaien, en soms kan een stuk een extra beetje energie krijgen en worden "afgeknepen" - een foton! Een hapklare bit van het elektromagnetische veld is een foton! En je kunt fotonen maken of vernietigen door energie toe te voegen of te verwijderen uit een lokaal veld van het elektromagnetische veld. Dit brengt het klassieke concept naar het moderne tijdperk.

En hier is de kicker: er is een elektromagnetisch veld met fotonen en er is een elektronenveld met elektronen. Dezelfde deal! Een elektronveld doordringt ruimte-tijd zoals onderdompelend brood in een balsamico-azijn. Je brood is nu gedrenkt in zowel olijfolie als azijn. Je voegt een beetje energie toe aan het elektromagnetische veld en haalt wat fotonen tevoorschijn. Je voegt een beetje energie toe aan het elektroneveld en knalt wat elektronen uit. Net zoals fotonen specifieke energieniveaus van een veld zijn, zijn elektronen specifieke energieniveaus van een veld. Het is allemaal hetzelfde bedrijf en legt uit hoe je elektronen naar believen kunt maken en vernietigen: het enige dat je nodig hebt is energie toevoegen of verwijderen uit het veld.

Nu kunnen we teruggaan naar ons oorspronkelijke probleem: wat gebeurt er als een foton en elektron botsen? Nou, je kunt de moeilijkheid zien. Het is niet alleen een een-op-een-botsing. Terwijl het elektron en het foton bewegen, kunnen ze af en toe verdwijnen, verschijnen en zelfs in elkaar overgaan (net zo gemakkelijk als een veld energie overdraagt ​​naar het andere). Dus je moet beginnen met optellen al het mogelijke botsingen: regulier elektron plus foton; elektron plus twee fotonen; elektron plus elektron plus positron; door en door en door.

Maar wanneer u begint met het optellen van al deze correcties en toevoegingen, komt u in de problemen. Er is een oneindig aantal mogelijke combinaties van interacties. Oneindigheid. Crud.Het ultieme scheldwoord van de natuur. Je kunt het verhaal van de natuur niet vertellen terwijl je praat; het is gewoon verkeerd. Wanneer oneindigheden opduiken, kun je geen vooruitgang boeken, kun je geen voorspellingen doen, je kunt geen wetenschap maken.

Gelukkig, enkele decennia geleden, hebben enkele briljante natuurkundigen zoals Richard Feynman een paar trucs bedacht. Door slimme manipulatie konden ze alle wiskundige termen die in de oneindigheid bliezen - en dat waren er veel - in slechts een handvol plaatsen verpakken. Nog steeds oneindig, maar niet op zoveel plaatsen in de vergelijkingen. Toen maakten ze een slimme identificatie. Die specifieke termen vertegenwoordigden dingen die we al wisten, zoals de massa van het elektron. Zet gewoon de experimenteel bekende elektronenmassa op die plek en we zijn goed! OK, dus onze fantasie theorie kan niet voorspellen alles, maar door dit proces van schrobben van de oneindigheden schoon te maken, kunnen we wat vooruitgang boeken en nieuwe dingen leren. Het lijkt duister, maar het werkt.

Dit is de wereld van de kwantumveldentheorie (en telkens als iemand kortweg "geciteerd voor de waarheid" afkent, is dit wat ik denk in plaats daarvan, en het is veel grappiger). QFT heeft ongelooflijke vooruitgang geboekt in het beschrijven van de interacties van alle deeltjes en drie van de vier krachten.

Hoe zit het met de zwaartekracht?

Quantumzwaartekracht?

Een van de vele problemen is dat de zwaartekracht niet echt een kracht is zoals de andere krachten. Zwaartekracht heeft alles te maken met ruimte-tijd, en ruimte-tijd is het stadium waarop alle deeltjes hun zaken als de acteurs bewaken.

In de normale QFT-wereld blijft die fase gefixeerd en onbeweeglijk in de eeuwigheid, waardoor we ons kunnen concentreren op alle interactie-inanity. Maar de algemene relativiteitstheorie vertelt ons dat het toneel ook levend is. Het buigt en vervormt onder invloed van de acteurs, en dat buigen en kromtrekken stuurt de bewegingen van de acteurs. En als we terugkijken naar onze fundamentele elektron-fotoneninteractie onder een kwantumveldbeeld, beginnen we migraine te krijgen. We moeten niet alleen rekening houden met elke mogelijke combinatie en permutatie van interactie tussen fotonen en elektronen, maar ook met alle mogelijke configuraties van ruimte-tijd eronder!

Scheldwoorden zijn er in overvloed.

De oneindigheden zijn te veel om te hanteren. We kunnen geen slimme manieren vinden om ze te verpakken. We kunnen hen niet vergeten en doen alsof ze niet bestaan. We kunnen er niet overheen patchen met bekende metingen. De wiskunde is te gecompliceerd. Er zijn gewoon te veel mogelijke configuraties van beide interacties en de onderliggende ruimte-tijd. We kunnen de wiskunde niet eenvoudig genoeg maken om op te lossen; onze wiskundige modellen verliezen hun voorspellende kracht. Ze gaan kapot.

Er zijn slimme ideeën die er zijn, zoals lus kwantumzwaartekracht ("Wat als ruimtetijd geclusterd is ... zou dat niet geweldig zijn?") En snaartheorie ("Wat als we onze concepten van deeltjes radicaal veranderen ... zou dat niet zo zijn? geweldig? "), maar geen van beide heeft de afgelopen decennia veel theoretische vooruitgang geboekt, en beiden lijden aan een ernstig gebrek aan toetsbare voorspellingen. Er is eenvoudigweg niet veel bewijs om onze modellen te begeleiden; onze deeltjesversnellers missen de kracht die nodig is om de fysica op deze schalen te onderzoeken.

Daarom zijn plaatsen als zwarte gaten en het vroege universum zo overtuigend voor theoretici: het zijn plaatsen waar zwaartekracht zowel klein als sterk is, en door die scenario's te bestuderen, kunnen we hopelijk een idee krijgen van hoe de zwaartekracht correct kan worden behandeld. In de tussentijd kunnen we echter alleen maar onze schouders ophalen.

Je hebt misschien wel gehoord van de graviton, het "deeltje" dat de zwaartekracht draagt. Maar dat concept komt van proberen de zwaartekracht te schilderen met kwantummechanische kleuren. En we weten dat dat gewoon niet werkt - in ieder geval nog niet. Tot nader bericht is er gewoon geen echt iets waar je naar kunt wijzen en zeggen: "Dat is een graviton."

Wat is de ultieme resolutie? We weten dat we in een kwantumwereld leven, maar we kunnen een manier vinden om de zwaartekracht niet te beschrijven zonder te vloeken. En dat is oneindig vervelend.

Lees meer door te luisteren naar de aflevering "Wat is het vlees met kwantumzwaartekracht?" op de Ask A Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunes en op internet op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan Damian Kasny voor de vraag die leidde tot dit stuk! Stel je eigen vraag op Twitter met #ASkASpaceman of door Paul @ PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen.