Αναζητώντας την αληθινή σχέση μεταξύ της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντικής Μηχανικής
Παρά τις τεράστιες ερευνητικές προσπάθειες, η σχέση μεταξύ των δύο μεγάλων θεωριών του 20ου αιώνα - της Γενικής Σχετικότητας και της Κβαντικής Μηχανικής δεν είναι ακόμα σαφώς κατανοητή. Η ιδέα ότι όλες οι αλληλεπιδράσεις είναι θεμελιωδώς κβαντικές, αν και εξαιρετικά επιτυχημένες με όλες τις μη βαρυτικές αλληλεπιδράσεις, φαίνεται να αποτυγχάνει σε περίπτωση βαρύτητας, καθώς απέχουμε ακόμη πολύ από μια πειστική κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Επομένως, οποιαδήποτε εικόνα για το πώς αλληλοσυνδέονται οι δύο θεμελιώδεις θεωρίες μας για τη Φύση έχει μεγάλη αξία.
Λιγότερο κατανοητό από τα δύο είναι η κβαντική μηχανική. Ειδικά ο μηχανισμός που συνδέει την κβαντική μηχανική με τον καθημερινό μας κόσμο της ζωής, τη λεγόμενη μετάβαση από κβαντική σε κλασική. Περιλαμβάνει γνωστά προβλήματα όπως η κατάρρευση κυματοσυνάρτησης, το πρόβλημα μέτρησης και το πρόβλημα της γάτας του Schroedinger. Μια εξέχουσα προσέγγιση, που πρόσφατα κερδίζει όλο και μεγαλύτερη δημοτικότητα, για την εξαγωγή του κλασικού μας κόσμου από τις πρώτες αρχές της κβαντικής θεωρίας είναι η θεωρία της αποσυνοχής. Εν συντομία, αναγνωρίζει ότι τα απομονωμένα συστήματα είναι μόνο εξιδανικεύσεις πραγματικών καταστάσεων, όπου κάθε σύστημα αλληλεπιδρά με ένα περιβάλλον, για παράδειγμα, φωτίζεται από το φως. Τότε είναι αυτή η αλληλεπίδραση με το περιβάλλον και η αδυναμία παρατήρησης του συνόλου του περιβάλλοντος που μπορεί να οδηγήσει σε καταστολή ορισμένων κβαντικών χαρακτηριστικών (συνεκτικότητα) και αποτελεσματικά σε μια κλασική συμπεριφορά του εν λόγω συστήματος.
Η αποσυνοχή, αν και ισχυρό εργαλείο, δεν λύνει, ωστόσο, όλα τα προβλήματα. Για παράδειγμα, δεν εξηγεί τον αντικειμενικό χαρακτήρα του καθημερινού κόσμου. Αυτή η πτυχή πρωτοστάτησε από τον W. H. Zurek και τους συνεργάτες του υπό την ιδέα του κβαντικού δαρβινισμού, που είναι μια πιο περίτεχνη και ρεαλιστική μορφή αποσυνοχής. Ουσιαστικά λέει ότι για να γίνει αντικειμενικός, πληροφορίες για το σύστημα, π.χ. η θέση του, πρέπει να αποθηκευτεί σε πολλά, τέλεια αναγνώσιμα αντίγραφα στο περιβάλλον (περιττή κωδικοποίηση). Η ιδέα αναπτύχθηκε περαιτέρω από την ομάδα του Gdańsk, η οποία προσδιόρισε με μοναδικό τρόπο μια δομή κβαντικής κατάστασης υπεύθυνη για αυτή τη μορφή αντικειμενικότητας και γνωστή ως Δομή εκπομπής φάσματος (SBS). Η δύναμη αυτού του αποτελέσματος έγκειται στο γεγονός ότι η φιλοσοφική έννοια της αντικειμενικότητας εκφράζεται πολύ ακριβή και αυστηρά στη γλώσσα των κβαντικών καταστάσεων. Αυτό ανοίγει μια πιθανότητα ότι ο αντικειμενικός χαρακτήρας του κόσμου είναι κατά μία έννοια κάποια συγκεκριμένη ιδιότητα κβαντικών καταστάσεων.
Αυτό που μελετήσαμε στην εργασία μας είναι ένας θεωρητικός, επαγόμενος από τη βαρύτητα μηχανισμός αποσυνοχής που προτείνεται από τον I. Pikovski και τους συνεργάτες του [Pikovski I et al. 2015, Nature Phys., 11, 668]. Η βασική ιδέα είναι ότι το βαρυτικό πεδίο μπορεί να είναι υπεύθυνο για την αποσυνοχή και έτσι κατά μία έννοια να οδηγεί τη μετάβαση από κβαντική σε κλασική. Η ίδια η ιδέα δεν είναι νέα και προτάθηκε πριν από λίγο καιρό από τον L. Diosi [Diosi L 1987, Phys. Κάτοικος της Λατβίας. A 120, 377] και στη συνέχεια από τον R. Penrose [Penrose R 1996, Gen. Relativ. Gravit. 28, 581]. Ωστόσο, η σύγχρονη αντίληψη είναι ποιοτικά νέα, καθώς δεν απαιτεί άμεση απόκλιση από τη συνηθισμένη, γραμμική εξίσωση Schroedinger, η οποία διέπει την εξέλιξη των κβαντικών συστημάτων. Και αυτή η γραμμικότητα βρίσκεται στην πραγματικότητα στον πυρήνα της κβαντικής θεωρίας, υπεύθυνη για πολλά από τα περίεργα φαινόμενα της, π.χ. σολ. κβαντική εμπλοκή.
Η ιδέα των Pikovski et al., που ονομάζεται αποσυνοχή με χρονική διαστολή, είναι εντυπωσιακά απλή:Εφόσον ο χρόνος ρέει διαφορετικά σε διαφορετικά ύψη στο βαρυτικό πεδίο (π.χ. αυτό της Γης, γεγονός πειραματικά καθιερωμένο με φανταστική ακρίβεια), τότε μια δέσμη αρμονικών Οι ταλαντωτές που τοποθετούνται στο βαρυτικό πεδίο θα έχουν διαφορετικές περιόδους σε διαφορετικά ύψη. Αυτό, με τη σειρά του, δημιουργεί μια συσχέτιση ύψους-περιόδου, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε αποσυνοχή του κέντρου μάζας (CM) των ταλαντωτών εάν δεν είμαστε σε θέση να παρατηρήσουμε τον καθένα ξεχωριστά. Ως παράδειγμα, μπορεί κανείς να σκεφτεί ένα μεγάλο μόριο με πολλούς ταλαντωτικούς βαθμούς ελευθερίας που δεν παρατηρούμε αλλά παρακολουθούμε μόνο τη θέση CM του μορίου στο βαρυτικό πεδίο. Εύκολα λέγεται, πιο δύσκολο - η τοποθέτηση αυτής της ιδέας σε αυστηρή μορφή απαιτεί μερικά μη τετριμμένα και μάλλον γενναία βήματα. Ο μηχανισμός που προκύπτει είναι μάλλον αδύναμος λόγω της αδύναμης φύσης της βαρυτικής αλληλεπίδρασης και επομένως απαιτεί μεγάλο αριθμό εσωτερικών βαθμών ελευθερίας, ας πούμε 10.
Ωστόσο, όπως αναφέραμε προηγουμένως, η αποσυνοχή από μόνη της δεν μπορεί να εξηγήσει όλα τα κλασικά χαρακτηριστικά. Επομένως, θέσαμε ένα ερώτημα εάν η αποσυνοχή της χρονικής διαστολής οδηγεί σε κάποια μορφή αντικειμενοποίησης; Για αυτό, μελετήσαμε εάν και πώς οι πληροφορίες σχετικά με το ύψος του κέντρου μάζας μεταφέρονται στους εσωτερικούς, ταλαντωτικούς βαθμούς ελευθερίας. Ως εργαλείο χρησιμοποιήσαμε τις δομές SBS που αναφέρθηκαν παραπάνω, καθώς η περιγραφή στο επίπεδο των κβαντικών καταστάσεων που παρέχουν είναι η πιο θεμελιώδης που έχουμε.
Ως αποτέλεσμα, βρήκαμε ότι πράγματι η αποσυνοχή που προκαλείται από τη βαρύτητα οδηγεί στην περιττή κωδικοποίηση των πληροφοριών ύψους σε μεγάλες ομάδες εσωτερικών βαθμών ελευθερίας, τουλάχιστον για σύντομους χρόνους. Αυτές οι πληροφορίες είναι κατ' αρχήν προσβάσιμες σε ανεξάρτητους παρατηρητές, οι οποίοι μπορούν να τις εξαγάγουν χωρίς να διαταράξουν ούτε τη θέση του CM ούτε τους συνεργάτες τους. Όλα αυτά οδηγούν σε μια ορισμένη μορφή αντικειμενικότητας του ύψους CM – πολλοί παρατηρητές μπορούν να το ανακαλύψουν χωρίς καμία ενόχληση. Όπως αναφέραμε, ο μηχανισμός αποσυνοχής και αντικειμενοποίησης που μελετήθηκε επαγόμενη από τη βαρύτητα είναι σε αυτό το στάδιο μόνο μια θεωρητική πρόταση. Εάν πρόκειται για πραγματικό φαινόμενο της Φύσης ή όχι, πρέπει να επαληθευτεί σε ένα πείραμα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Μεταφορά πληροφοριών κατά την καθολική βαρυτική αποσυνοχή, που δημοσιεύεται στο περιοδικό General Relativity and Gravitation. Αυτή η εργασία έγινε από τους Jarek Korbicz και Jan Tuzimski από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Γκντανσκ.
