Bagian yang hilang: mengapa fisikawan dipaksa mencari teori gravitasi quantum

Matematika yang digunakan dalam sains pada umumnya dan dalam fisika pada khususnya sering dibandingkan dengan bahasa - dan ini memberi kesan bahwa itu terutama berfungsi sebagai kode rahasia untuk menakut-nakuti orang asing dan bahwa ini lebih merupakan ketidaknyamanan daripada keharusan. Dan walaupun saya mendukung dan menghargai popularisasi sains, penghindaran yang cermat terhadap istilah dan persamaan teknis mengarah pada fakta bahwa matematika dianggap sebagai sesuatu yang opsional, paling banter, dan paling buruk - instrumen penyiksaan. Tetapi matematika jauh lebih banyak.

Pertama-tama, matematika adalah disiplin pemikiran. Ini dibersihkan dari ketidakpastian bahasa dan berfungsi sebagai alat untuk memperoleh konsekuensi dari asumsi. Dia tidak tunduk pada kelemahan manusia, tidak tahu belas kasihan dan menjaga obyektivitas.



Fisika teoretis modern bekerja dengan menciptakan teori-teori yang didasarkan pada seperangkat asumsi atau aksioma, meskipun tidak harus ditetapkan secara jelas dan kadang-kadang hanya didefinisikan secara implisit. Namun demikian, ketika dirumuskan dalam istilah matematika, asumsi-asumsi ini mengarah pada serangkaian kesimpulan yang jauh lebih besar yang dikenakan pada fisikawan. Agar suatu teori dapat diterima dalam arti penerapannya kepada Semesta, semua kesimpulan ini harus konsisten secara internal, yaitu, tidak menghasilkan kontradiksi, dan bertepatan dengan pengamatan.

Untuk menggambarkan tingkat alam yang paling mendasar saat ini, kami memiliki dua teori - GR dan Model Standar dalam fisika partikel. GR adalah teori klasik, dan Model Standar adalah teori medan kuantum. Yang pertama tidak mematuhi prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang kedua patuh. Kedua teori bersama-sama mampu menggambarkan semua pengamatan yang ada, meskipun beberapa aspek dari deskripsi ini tidak sepenuhnya memuaskan kita, misalnya, tidak adanya struktur mikroskopis materi gelap. Kombinasi kedua teori ini bertepatan dengan pengamatan, tetapi masalahnya adalah bahwa mereka tidak setuju satu sama lain.



Perbedaan ini paling baik ditunjukkan oleh masalah kehilangan informasi dalam lubang hitam. Menggabungkan GR dengan teori medan kuantum kita mendapatkan sesuatu yang disebut "teori medan kuantum di ruang melengkung." Ini sebagian klasik, sebagian kuantum, dan karena itu disebut "gravitasi semiklasik." Dalam teori gabungan ini, dapat dihitung bahwa lubang hitam memancarkan radiasi, yang disebut "radiasi Hawking", untuk menghormati penemunya.

Radiasi Hawking - spektrum benda hitam tanpa tanda-tanda khusus dan tanpa menentukan parameter, dengan pengecualian satu hal: suhunya, yang tergantung pada massa awal lubang hitam. Ini berarti bahwa semua lubang hitam dengan massa awal yang sama menguap, menghasilkan radiasi termal yang persis sama, terlepas dari apa mereka terbentuk. Proses pembentukan dan penguapan lubang hitam berikutnya tidak dapat dibalik: bahkan jika kita tahu segalanya tentang keadaan akhir, kita tidak dapat menentukan yang awal. Informasi hilang. Masalahnya adalah bahwa proses yang pada dasarnya tidak dapat dibalikkan itu tidak sesuai dengan teori medan kuantum yang digunakan untuk menurunkan proses ini: itu adalah kontradiksi internal, ketidakcocokan - dan karenanya alam tidak dapat bekerja seperti itu. Matematika telah memaksakan kesimpulan ini pada kita.



Kombinasi semi klasik GR dan Model Standar mengarah ke masalah lain. Misalnya, kita tidak tahu apa yang terjadi pada medan gravitasi elektron yang melewati celah ganda. Kita tahu bahwa fungsi gelombang suatu elektron adalah superposisi dan melewati kedua slot, menciptakan distribusi statistik pada layar selama pengukuran. Kita juga tahu bahwa elektron membawa energi. Dan kita tahu bahwa energi menciptakan medan gravitasi. Tetapi karena medan gravitasi itu klasik, ia tidak bisa berada di superposisi dan melewati kedua celah seperti elektron. Apa yang terjadi pada medan gravitasi elektron? Tidak ada yang tahu, karena terlalu lemah untuk diukur. Sangat sederhana dan sangat menghina!



Alasan ketiga meyakinkan fisikawan bahwa kombinasi GR dan SM tidak lengkap adalah bahwa hal itu mengarah pada penampilan singularitas dalam keadaan yang cukup biasa. Singularitas adalah benda dengan kerapatan dan kelengkungan energi tak terbatas. Mereka tidak fisik dan tidak boleh muncul dalam teori yang bermakna. Mereka juga muncul, misalnya, dalam hidrodinamika, ketika setetes air dipisahkan. Tetapi dalam kasus yang terakhir, diketahui bahwa singularitas adalah suatu artefak menggunakan pendekatan dalam hidrodinamika, yang tidak bekerja pada jarak subatomik. Pada jarak yang sangat pendek, teori yang lebih mendasar (yaitu, teori kuantum, partikel individu) harus digunakan untuk menggambarkan setetes air dan tidak ada singularitas di dalamnya, yang diharapkan.



Diyakini bahwa kuantifikasi gravitasi akan menyelesaikan ketiga masalah ini dengan memaparkan struktur ruang-waktu pada jarak yang sangat kecil. Sayangnya, gravitasi tidak dapat dikuantifikasi, seperti interaksi lain dari model standar. Jika kita menerapkan metode ini pada gravitasi, maka kita sampai pada teori "gravitasi kuantum efektif", yang tidak dapat menyelesaikan masalah ini - itu masih rusak dengan kelengkungan yang kuat. Gravitasi kuantitatif yang naif ("perturbatif") ini tidak cocok untuk menyelesaikan masalah singularitas dan penguapan black hole, karena ia hanya bekerja dengan gravitasi lemah. Itu tidak masuk akal sebagai teori fundamental. Berbicara tentang "gravitasi quantum", fisikawan biasanya mengartikan teori yang akan bekerja terlepas dari seberapa kuat gravitasi itu.

Ada beberapa pendekatan teoritis untuk gravitasi kuantum. Yang paling terkenal di antaranya adalah gravitasi yang aman asimptotik, gravitasi loop quantum, teori string dan triangulasi dinamis kausal, serta gagasan yang secara serius terkait dengan analogi dengan hidrodinamika dan menganggap gravitasi sebagai fenomena turunan. Sejauh ini, tidak ada yang bisa mengatakan mana dari ketiga pendekatan yang secara tepat menggambarkan alam.

Mengikuti jejak pengukuran polarisasi dalam radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik BICEP (sekarang telah ditetapkan bahwa ini hanya konsekuensi dari debu di latar depan), dinyatakan bahwa pengukuran seperti itu akan memberi kita bukti kuantifikasi gravitasi. Ini tidak sepenuhnya benar. Pertama, ini hanya berlaku untuk medan gravitasi yang lemah dan, karenanya, tidak pada teori dasar gravitasi kuantum. Selain itu, Anda harus berhati-hati tentang asumsi yang dibuat demi argumen. Memang, fluktuasi gravitasi kuantum di Semesta awal seharusnya meninggalkan jejak pada radiasi latar belakang, yang secara teori dapat dilihat. Namun, akan jauh lebih sulit untuk membuktikan bahwa gravitasi kuantum adalah satu-satunya cara untuk menciptakan fluktuasi yang dapat diamati. Kesimpulan seperti itu akan membutuhkan sesuatu seperti teorema Bell, sebuah bukti yang menunjukkanbahwa teori klasik tidak dapat melakukan ini - tetapi tidak ada bukti seperti itu.



Gravitasi kuantum bukanlah bidang yang luas untuk penelitian, seperti, katakanlah, fisika benda terkondensasi atau penelitian kanker. Ini adalah komunitas kecil, yang, bagaimanapun, menarik minat publik yang besar. Dan ini tidak sia-sia. Tanpa gravitasi kuantum, kita tidak tahu bagaimana ruang dan waktu berperilaku, dan kita tidak mengerti bagaimana alam semesta kita dimulai. Kita memerlukan teori gravitasi kuantum untuk menjelaskan bagaimana kosmos terstruktur dan bagaimana ia muncul.

Saya juga percaya bahwa teori ini akan memberi kita pelajaran penting tentang kuantifikasi yang akan berguna bagi kita dalam praktiknya. Jika Anda mendengarkan para penganut teori string, maka proses ini sudah dimulai, terlepas dari apakah teori string dapat menyelesaikan masalah kehilangan informasi dalam lubang hitam!

Daya tarik gravitasi kuantum adalah karena kemurnian masalah dan keniscayaan logika matematika, yang mengarah pada kesimpulan bahwa tidak ada bagian penting dari teka-teki. Kita harus mencari tahu apakah pendekatan matematis murni akan cukup untuk menemukan bagian ini. Jika tidak, kesimpulan kami akan tetap ambigu, dan tidak akan ada lagi data panduan.

Source: https://habr.com/ru/post/id397013/