De meeste natuurkundigen verwachten dat wanneer we inzoomen op het weefsel van de werkelijkheid, de niet-intuïtieve vreemdheid van de kwantummechanica tot op de allerkleinste schaal blijft bestaan. Maar in die omstandigheden botst de kwantummechanica op een absoluut onverenigbare manier met de klassieke zwaartekracht.

Dus gedurende bijna een eeuw hebben theoretici geprobeerd een uniforme theorie te creëren door de zwaartekracht te kwantiseren, of deze te modelleren volgens de regels van de kwantummechanica. Het is ze nog steeds niet gelukt.

Jonathan Oppenheim, die aan het University College London een programma leidt waarin postkwantumalternatieven worden onderzocht, vermoedt dat dit komt doordat de zwaartekracht eenvoudigweg niet in een kwantumdoos kan worden geperst. Misschien, zo betoogt hij, is onze aanname dat het gekwantiseerd moet worden onjuist. "Die mening is ingebakken", zei hij. "Maar niemand weet wat de waarheid is."

Kwantumtheorieën zijn gebaseerd op waarschijnlijkheden in plaats van zekerheden. Als je bijvoorbeeld een kwantumdeeltje meet, kun je niet precies voorspellen waar je het zult vinden, maar wel de waarschijnlijkheid dat het op een bepaalde plaats zal worden gevonden. Wat meer is, hoe zekerder je bent over de locatie van een deeltje, hoe minder zeker je bent over zijn momentum. In de loop van de 20e eeuw begrepen natuurkundigen geleidelijk elektromagnetisme en andere krachten door dit raamwerk te gebruiken. 

Maar toen ze de zwaartekracht probeerden te kwantificeren, stuitten ze op onnatuurlijke oneindigheden die met onhandige wiskundige trucs moesten worden omzeild.

 De problemen doen zich voor omdat zwaartekracht een resultaat is van ruimte-tijd zelf, in plaats van iets dat er bovenop werkt. Dus als de zwaartekracht wordt gekwantiseerd, betekent dat dat ruimte-tijd ook wordt gekwantiseerd. Maar dat werkt niet, omdat de kwantumtheorie alleen zinvol is tegen een klassieke ruimte-tijdachtergrond - je kunt kwantumtoestanden niet toevoegen en vervolgens ontwikkelen bovenop een onzekere basis. 

Om met dit diepe conceptuele conflict om te gaan, wendden de meeste theoretici zich tot de snaartheorie, die zich voorstelt dat materie en ruimte-tijd voortkomen uit kleine, trillende snaren. Een kleinere factie probeerde kwantumzwaartekracht in een lus te brengen, die de soepele ruimte-tijd van Einsteins algemene relativiteitstheorie vervangt door een netwerk van in elkaar grijpende lussen. In beide theorieën komt onze vertrouwde, klassieke wereld op de een of andere manier voort uit deze fundamenteel kwantumbouwstenen. 

Oppenheim was oorspronkelijk een snaartheoreticus en snaartheoretici geloven in het primaat van de kwantummechanica. Maar hij voelde zich al snel ongemakkelijk bij de uitgebreide wiskundige acrobatiek die zijn collega's uitvoerden om een ​​van de meest beruchte problemen in de moderne natuurkunde aan te pakken: de zwart gat informatieparadox. 

In 2017 ging Oppenheim op zoek naar alternatieven die de informatieparadox omzeilden door zowel de kwantumwereld als de klassieke wereld als uitgangspunt te nemen. Hij struikelde over een aantal over het hoofd gezien onderzoek op kwantumklassiek hybride theorieën uit de jaren negentig, wat hij is geweest verlenging en het verkennen van sindsdien. Door te bestuderen hoe de klassieke en de kwantumwereld met elkaar in verband staan, hoopt Oppenheim een ​​diepere theorie te vinden die noch kwantum noch klassiek is, maar een soort hybride. "Vaak stoppen we al onze eieren in een paar manden, terwijl er veel mogelijkheden zijn", zei hij. 

Om zijn punt duidelijk te maken, onlangs Oppenheim een weddenschap gedaan Met Geoff Penington en Carlo Robelli - leiders op hun respectievelijke gebieden van snaartheorie en luskwantumzwaartekracht. De kansen? 5,000 tegen 1. Als het vermoeden van Oppenheim juist is en ruimte-tijd niet gekwantiseerd is, kan hij bakken vol chips, kleurrijk plastic winnen. bazinga-ballen, of scheuten olijfolie, naar zijn zin - zolang elk item maximaal 20 pence (ongeveer 25 cent) kost.

We ontmoetten elkaar in een café in Noord-Londen vol boeken, waar hij kalm zijn zorgen over de status quo van de kwantumzwaartekracht uiteenzette en de verrassende schoonheid van deze hybride alternatieven prees. "Ze stellen allerlei opmerkelijk subtiele vragen", zei hij. "Ik ben echt de weg kwijt bij het proberen deze systemen te begrijpen." Maar hij zet door. 

"Ik wil mijn 5,000 bazinga-ballen."

Het interview is voor de duidelijkheid gecomprimeerd en bewerkt.

Waarom zijn de meeste theoretici er zo zeker van dat ruimte-tijd gekwantiseerd is?

Het is dogma geworden. Alle andere velden in de natuur zijn gekwantiseerd. Er is een gevoel dat er niets bijzonders is aan zwaartekracht - het is gewoon een veld zoals elk ander - en daarom zouden we het moeten kwantificeren.

Is zwaartekracht volgens jou speciaal?

Ja. Natuurkundigen definiëren alle andere krachten in termen van velden die evolueren in ruimte-tijd. Alleen de zwaartekracht vertelt ons iets over de geometrie en kromming van de ruimte-tijd zelf. Geen van de andere krachten beschrijft de universele achtergrondgeometrie waarin we leven zoals de zwaartekracht dat doet.

Op dit moment gebruikt onze beste theorie van de kwantummechanica deze achtergrondstructuur van ruimte-tijd - die de zwaartekracht definieert. En als je echt gelooft dat zwaartekracht gekwantiseerd is, dan verliezen we die achtergrondstructuur.

Wat voor soort problemen kom je tegen als zwaartekracht klassiek is en niet gekwantiseerd?

Lange tijd geloofde de gemeenschap dat het logischerwijs onmogelijk was dat zwaartekracht klassiek was, omdat het koppelen van een kwantumsysteem aan een klassiek systeem tot inconsistenties zou leiden. In de jaren vijftig stelde Richard Feynman zich een situatie voor die het probleem verlichtte: hij begon met een enorm deeltje dat zich in een superpositie van twee verschillende locaties bevindt. Deze locaties kunnen twee gaten in een metalen plaat zijn, zoals in het beroemde experiment met dubbele spleten. Ook hier gedraagt ​​het deeltje zich als een golf. Het creëert een interferentiepatroon van lichte en donkere strepen aan de andere kant van de spleten, waardoor het onmogelijk is om te weten door welke spleet het ging. In populaire verslagen wordt soms beschreven dat het deeltje door beide spleten tegelijk gaat.

Maar omdat het deeltje massa heeft, creëert het een zwaartekrachtveld dat we kunnen meten. En dat zwaartekrachtveld vertelt ons zijn locatie. Als het zwaartekrachtveld klassiek is, kunnen we het tot oneindige precisie meten, de locatie van het deeltje afleiden en bepalen door welke spleet het ging. Dus we hebben dan een paradoxale situatie - het interferentiepatroon vertelt ons dat we niet kunnen bepalen door welke spleet het deeltje is gegaan, maar het klassieke zwaartekrachtveld laat ons dat wel doen.

Maar als het zwaartekrachtveld kwantum is, is er geen paradox - onzekerheid sluipt binnen bij het meten van het zwaartekrachtveld, en dus hebben we nog steeds onzekerheid bij het bepalen van de locatie van het deeltje.

Dus als de zwaartekracht zich klassiek gedraagt, weet je te veel. En dat betekent dat gekoesterde ideeën uit de kwantummechanica, zoals superpositie, afbreken?

Ja, het zwaartekrachtveld weet te veel. Maar er zit een maas in het argument van Feynman waardoor de klassieke zwaartekracht zou kunnen werken.

Wat is die maas in de wet?

Zoals het er nu uitziet, weten we alleen welk pad het deeltje heeft gevolgd, omdat het een duidelijk zwaartekrachtveld produceert dat ruimte-tijd buigt en ons in staat stelt de locatie van het deeltje te bepalen. 

Maar als die interactie tussen het deeltje en de ruimte-tijd willekeurig is - of onvoorspelbaar - dan dicteert het deeltje zelf niet volledig het zwaartekrachtveld. Wat betekent dat het meten van het zwaartekrachtveld niet altijd zal bepalen door welke spleet het deeltje is gegaan, omdat het zwaartekrachtveld zich in een van de vele toestanden kan bevinden. Willekeur sluipt erin en je hebt niet langer een paradox.

Dus waarom denken niet meer natuurkundigen dat zwaartekracht klassiek is?

Het is logischerwijs mogelijk om een ​​theorie te hebben waarin we niet alle velden kwantiseren. Maar wil een klassieke zwaartekrachttheorie consistent zijn met al het andere dat wordt gekwantiseerd, dan moet de zwaartekracht fundamenteel willekeurig zijn. Voor veel natuurkundigen is dat onaanvaardbaar.

Waarom?

Natuurkundigen besteden veel tijd aan het uitzoeken hoe de natuur werkt. Dus het idee dat er op een heel diep niveau iets inherent onvoorspelbaars is, baart velen zorgen.

De uitkomst van metingen binnen de kwantumtheorie lijkt probabilistisch. Maar veel natuurkundigen denken liever dat wat lijkt op willekeur, slechts het kwantumsysteem en het meetapparaat zijn dat in wisselwerking staat met de omgeving. Ze zien het niet als een fundamenteel kenmerk van de werkelijkheid.

Wat stel je in plaats daarvan voor?

Mijn beste gok is dat de volgende zwaartekrachttheorie iets zal zijn dat noch volledig klassiek, noch volledig kwantum is, maar iets heel anders.

Natuurkundigen komen alleen maar met modellen die de natuur benaderen. Maar als een poging tot een betere benadering, construeerden mijn studenten en ik een volledig consistente theorie waarin kwantumsystemen en klassieke ruimte-tijd op elkaar inwerken. We moesten de kwantumtheorie een beetje aanpassen en de klassieke algemene relativiteitstheorie een beetje aanpassen om de vereiste afbraak van de voorspelbaarheid mogelijk te maken.

Waarom ben je aan deze hybride theorieën gaan werken?

Ik werd gemotiveerd door de informatieparadox van het zwarte gat. Wanneer je een kwantumdeeltje in een zwart gat gooit en dat zwarte gat vervolgens laat verdampen, stuit je op een paradox als je gelooft dat zwarte gaten informatie bewaren. De standaard kwantumtheorie vereist dat elk object dat je in het zwarte gat gooit, op een verhaspelde maar herkenbare manier weer wordt uitgestraald. Maar dat is in strijd met de algemene relativiteitstheorie, die ons vertelt dat je nooit iets kunt weten over objecten die de waarnemingshorizon van het zwarte gat overschrijden.

Maar als het verdampingsproces van zwarte gaten indeterministisch is, is er geen paradox. We leren nooit wat er in het zwarte gat is gegooid, omdat de voorspelbaarheid kapot gaat. De algemene relativiteitstheorie is veilig.

Dus de ruis in deze kwantum-klassieke hybride theorieën zorgt ervoor dat er informatie verloren gaat?

Precies. 

Maar het behoud van informatie is een belangrijk principe in de kwantummechanica. Dit verliezen valt niet gemakkelijk bij veel theoretici.

Dat is waar. Daar zijn de afgelopen decennia enorme debatten over geweest en bijna iedereen begon te geloven dat verdamping van zwarte gaten deterministisch is. Ik sta daar altijd versteld van.

Zullen experimenten ooit oplossen als de zwaartekracht wordt gekwantiseerd of niet?

Op een gegeven moment. We weten nog bijna niets over zwaartekracht op de kleinste schaal. Het is niet eens getest op de millimeterschaal, laat staan ​​op de schaal van een proton. Maar er komen enkele spannende experimenten online die dat zullen doen.

Een is een moderne versie van het 'Cavendish-experiment', dat de sterkte van de aantrekkingskracht tussen twee loden bollen berekent. Als er willekeur is in het zwaartekrachtveld, zoals in deze kwantumklassieke hybriden, dan zullen we niet altijd hetzelfde antwoord krijgen als we de kracht ervan proberen te meten. Het zwaartekrachtveld zal heen en weer schudden. Elke theorie waarin zwaartekracht fundamenteel klassiek is, heeft een bepaald niveau van zwaartekrachtruis.

Hoe weet je dat deze willekeur inherent is aan het zwaartekrachtveld en niet aan wat lawaai uit de omgeving?

Jij niet. Zwaartekracht is zo'n zwakke kracht dat zelfs de beste experimenten al veel beweging in zich hebben. Al die andere geluidsbronnen moet je dus zoveel mogelijk elimineren. Wat opwindend is, is dat mijn studenten en ik hebben laten zien dat als deze hybride theorieën waar zijn, er een minimale hoeveelheid zwaartekrachtruis moet zijn. Dit kan worden gemeten door goudatomen te bestuderen in een experiment met twee spleten. Deze experimenten stellen al grenzen aan de vraag of zwaartekracht fundamenteel klassiek is. We komen geleidelijk dichter bij de hoeveelheid onbepaaldheid die is toegestaan.

Aan de andere kant van de weddenschap, zijn er experimenten die zouden bewijzen dat de zwaartekracht gekwantiseerd is?

Er zijn voorgestelde experimenten die zoeken naar verstrengeling gemedieerd door het zwaartekrachtveld. Aangezien verstrengeling een kwantumfenomeen is, zou dat een directe test zijn van de kwantumaard van de zwaartekracht. Deze experimenten zijn erg opwindend, maar waarschijnlijk tientallen jaren verwijderd.