En ny forståelse af, hvordan en observatør kan ændre lidelsen eller entropien af et kvanteobjekt, kan hjælpe os med at undersøge, hvordan tyngdekraften interagerer med kvantområdet
I en buet rumtid som den, vi er i, afhænger entropien af et kvanteobjekt af, hvordan du rejser, når du måler det
Vores to bedste teorier om universets fysik – kvantemekanik og generel relativitet – er ofte ikke enige. Fysikere har forsøgt at forene dem i over et århundrede, og nu har forskere fundet et sted, hvor de ikke ser ud til at kæmpe. At træne fra dette ene eksempel kan åbne dørene til at opbygge en mere generel univers-bred teori.
Det hele startede med en intuition, at Lucas Céleri ved det føderale universitet i Goiás i Brasilien havde om, hvordan et kvanteobjekt akkumulerer lidelse, eller hvordan dens entropi ændrer sig. Han gættede, at observatøren, der måler et objekts entropi, og hvordan de bevæger sig gennem rum og tid, skulle have betydning.
Dette er allerede sandt i både kvantefysik og den generelle relativitetsteori, som er Einsteins teori om tyngdekraft. For kvanteobjekter er det umuligt at beskrive deres tilstand med absolut sikkerhed, indtil en observatør interagerer med dem. Generelt ser relativitet forskellige observatører forskellige tidspunkter på deres respektive ure, afhængigt af hvor i rumtid de er, fordi rumtid er buet, og dette påvirker tiden. Céleri og hans kolleger har nu tilføjet entropi til blandingen og fandt, at den også kan være observatørafhængig.
Forskerne undersøgte matematisk en Quantum Oscillator-kvanteversionen af en pendel eller en fjeder-der rejser gennem fire-dimensionel rumtid og interagerer med en observatør, der gør det samme. Stierne for observatøren og kvanteoscillatoren, kaldet deres verdenslinjer, var forskellige: de bevægede sig gennem forskellige dele af buet rumtid.
Hvis observatøren målte oscillatorens entropi to gange og derefter beregnet ændringen mellem disse to tal, var resultatet relateret til, hvor meget eksperimentatorens verdenslinje adskiller sig fra oscillatorens. At tilføje en anden observatør, der er flyttet gennem rumtid forskelligt til den første, ville producere et nyt nummer til ændringen i entropi, fordi den anden observatør også ville have en tydelig verdenslinje.
”Antag, at vi er på dit kontor med systemet, og vi foretager begge målinger (af entropi), så bliver du der, men jeg tager et fly og flyver rundt i verden og kommer derefter tilbage til dit kontor. Så foretager vi målinger igen. Vi vil se forskellige ting, fordi min verdenslinje vil være anderledes end din, ”siger Céleri.
Gerard Milburn ved University of Queensland i Australien siger, at dette resultat kombinerer generel relativitet og et udtryk for den anden lov om termodynamik – som siger, at entropi altid skal stige – på en ny og interessant måde.
Ideen er ikke så overraskende, som den kan lyde, men tilføjer vores forståelse af alle måder, hvorpå entropien af et objekt kan ændre sig, siger Erickson Tjoa på Max Planck Institute of Quantum Optics i Tyskland. Det er også et eksempel på kvanteteori og generel relativitet, der ikke kolliderer-selvom de to teorier er uforenelige med mere ekstreme punkter i rumtid, såsom sorte huller, siger han.
Det nye resultat er også en del af et større billede af, hvordan kvanteobjekter findes i buet rumtid, siger Ivette Fuentes Guridi ved University of Southampton i Storbritannien. Sådanne spørgsmål er utroligt interessante, men de kan have mere strenge og vidtrækkende svar, når de anvendes på kvantefelter, i stedet for en oscillator, siger hun. Dette skyldes, at felter strækker sig overalt i rummet, så enhver udsagn om, hvordan de ændrer sig på grund af rumtidskurvatur, ville tilføje vores universets dækkende forståelse af, hvornår tyngdekraften og kvantefysik kan-eller ikke-være forenet. Forskerne arbejder allerede på at udvide deres argumenter i denne retning, men et sådant arbejde vil sandsynligvis være meget mere matematisk udfordrende.
Djordje Minic på Virginia Tech siger, at det nye arbejde kan føre til nogle store implikationer, især hvis det fører til nye konkrete eksperimentelle tests af kvantefysik. Empirisk sonderende observatørafhængighed af et kvanteobjekts egenskaber kan være en måde at finde en ny teori, der er i stand til at beskrive alle objekter i buet rumtid. Og det kunne være ”toppen af isbjerget” i en anden teori endnu mere grundlæggende end kvanteteori, siger han.