หากคุณรู้อย่างหนึ่งเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม อาจเป็นไปได้ว่าสสารควอนตัมสามารถเป็นได้ทั้งที่นี่และที่นั่นในเวลาเดียวกัน มันสามารถซ้อนทับกันได้ และถ้าคุณรู้อย่างหนึ่งเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ก็เป็นไปได้ว่าสสารนั้นดึงดูดสสารอื่น มันมีสนามโน้มถ่วง ดูเหมือนว่าสนามโน้มถ่วงของสสารควอนตัมควรจะเป็นทั้งตรงนี้และตรงนั้นในเวลาเดียวกันด้วย อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
ซึ่งอธิบายถึง
แรงโน้มถ่วงนั้นเป็นทฤษฎีดั้งเดิม มันสอนบทเรียนมากมายให้กับเราและสามารถทำสิ่งต่างๆ ได้มากมาย แต่สิ่งหนึ่งที่ไม่สามารถทำได้คือการอธิบายสนามโน้มถ่วงในการซ้อนทับควอนตัม สำหรับสิ่งนี้เราต้องการทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในรูปแบบเชิงปริมาณ ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม
และถ้าคุณรู้สิ่งหนึ่งเกี่ยวกับแรงดึงดูดควอนตัม ก็คงไม่มีใครรู้ว่ามันทำงานอย่างไร อย่างไรก็ตาม เรามีข้อกำหนดสำหรับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่ประสบความสำเร็จ เราต้องการอะไรจากแรงโน้มถ่วงควอนตัม?เริ่มต้นด้วยทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมควรบอกเราว่าสสารควอนตัมโน้มถ่วงอย่างไร
โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากแรงโน้มถ่วงมีความแข็งแกร่ง ตราบใดที่แรงโน้มถ่วงยังอ่อนอยู่ เราก็สามารถหลีกเลี่ยงการหาปริมาณมันได้ในลักษณะเดียวกับที่เราหาปริมาณอันตรกิริยาอื่นๆ แต่การวัดปริมาณด้วยสนามที่อ่อนแอนี้จะไม่สมเหตุสมผลเมื่อแรงโน้มถ่วงมีมาก เช่น เมื่ออนุภาคที่มีพลังงานสูงชนกัน
ที่พลังงานสูงจนอนุภาคมีอันตรกิริยากับแรงโน้มถ่วงที่รุนแรง แรงโน้มถ่วงของควอนตัมควรบอกเราด้วยว่าเกิดอะไรขึ้นในเอกภพในยุคแรกเริ่ม ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เอกภพของเราเริ่มต้นจากภาวะเอกฐาน ผลลัพธ์ที่ไม่เป็นรูปธรรมนี้บ่งชี้ว่าเราต้องการคำอธิบายพื้นฐานเพิ่มเติมเกี่ยวกับพื้นที่และเวลา
ในตอนนั้น เนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีความแข็งแกร่งในเอกภพยุคแรก ผลกระทบเชิงควอนตัมของแรงโน้มถ่วงจึงไม่สามารถละเลยได้เมื่ออธิบายระยะนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังทำนายภาวะเอกฐานเมื่อสสารยุบตัวลงในหลุมดำ ซึ่งนำไปสู่สิ่งที่เรียกว่าความขัดแย้งในการสูญเสียข้อมูลของหลุมดำ
มันเกี่ยวข้อง
กับข้อเท็จจริงที่ว่าหลุมดำปล่อยรังสีความร้อนออกมาเนื่องจากผลทางควอนตัม ไม่รวมถึงผลทางความโน้มถ่วงทางควอนตัม แต่เมื่อหลุมดำระเหยไปหมดแล้ว สิ่งที่เหลืออยู่คือรังสีความร้อน โดยไม่คำนึงว่าหลุมดำเกิดจากอะไร ข้อมูลจะถูกทำลายในกระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้นี้ แต่เนื่องจากกระบวนการ
ที่ย้อนกลับไม่ได้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในกลศาสตร์ควอนตัมอย่างที่เราทราบ สิ่งนี้แสดงถึงความไม่สอดคล้องกัน แรงโน้มถ่วงควอนตัมควรอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นกับข้อมูลในหลุมดำนอกเหนือจากการแก้ปัญหายุ่งยากเหล่านี้แล้ว ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่ประสบความสำเร็จจะต้องสามารถจำลอง
ความสำเร็จทั้งหมดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคได้ด้วย และต้องทำการคาดการณ์ที่ทดสอบได้ซึ่งทำให้เรามั่นใจว่าเรามีคำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับธรรมชาติ
เราได้เรียนรู้อะไรบ้างจนถึงตอนนี้?นักฟิสิกส์กำลังทำงานเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงควอนตัมหลายวิธี
ได้แก่ ทฤษฎีสตริงและแรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบวนซ้ำ สามเหลี่ยมไดนามิกเชิงสาเหตุและแรงโน้มถ่วงที่ปลอดภัยเชิงเส้นกำกับ ชุดสาเหตุ ทฤษฎีสนามกลุ่ม แรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นและเหนี่ยวนำ; และวาระการวิจัยอื่น ๆ ที่เปรียบเทียบกันเล็กน้อย ปัจจุบันทฤษฎีสตริงมีคะแนนสูงสุดในการตอบสนองความต้องการ
จากภายนอก
การวิจัยเกี่ยวกับแนวทางใดๆ เหล่านี้ต่อแรงโน้มถ่วงควอนตัมจะต้องเหมือนกับการเฝ้าดูการสร้างอุโมงค์ เป็นเวลานานแล้วที่ไม่มีอะไรเกิดขึ้นมากนัก ยกเว้นว่าบางครั้งมีเครื่องมือเข้าไปและมีเศษหินหลุดออกมา แต่ก้าวเข้าไปข้างในแล้วคุณจะเห็นกลุ่มกิจกรรม เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีความคืบหน้าอย่างมาก
ในแต่ละแนวทาง ซึ่งเป็นความคืบหน้าที่ทำให้ความเข้าใจในปัญหาของเราก้าวหน้าไปมาก ท้ายที่สุดแล้ว อุโมงค์จะมีประโยชน์ก็ต่อเมื่อมีการเจาะทะลุเท่านั้น ในขณะที่ยังไม่มีการพัฒนาใด ๆ เรากำลังเรียนรู้ เราได้เรียนรู้ว่าคุณสมบัติเฉพาะของความโน้มถ่วงควอนตัมปรากฏในหลายวิธี หากแสดงออกมาต่างกัน
ตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดอาจเป็นโฮโลกราฟฟี ซึ่งเป็นการเข้ารหัสข้อมูลที่อยู่ในวอลุ่มบนขอบเขตของวอลุ่มนั้น การมีอยู่ของมาตราส่วนความยาวขั้นต่ำเป็นอีกหนึ่งคุณสมบัติที่ปรากฏในแนวทางต่างๆ ดูเหมือนว่าในท้ายที่สุดแล้ว ความผันผวนของแรงโน้มถ่วงของควอนตัมทำให้เราไม่สามารถแก้ไข
โครงสร้างโดยพลการได้ การค้นพบล่าสุดคือมิติของอวกาศ-เวลาดูเหมือนจะเล็กลงในระยะทางสั้นๆ ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่น่าประหลาดใจที่พบในแนวทางต่างๆ กัน ฉันมีข้อสงสัยเล็กน้อยว่าเราจะสามารถรวมกลศาสตร์ควอนตัมและแรงโน้มถ่วงเข้าด้วยกันได้ เพื่อนร่วมงานของฉันบางคนอาจโต้แย้งว่าเราได้ทำไป
แล้ว แต่เราไม่ได้มองหาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม เรากำลังมองหาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายโลกรอบตัวเรา การเชื่อมโยงกับการสังเกตจึงไม่เพียงมีความสำคัญ แต่ยังจำเป็นสำหรับแรงโน้มถ่วงควอนตัมในทางวิทยาศาสตร์ด้วย อะไรต่อไป?จนถึงตอนนี้ เราไม่มีหลักฐานการทดลอง
เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงควอนตัม แต่ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เป็นที่ชัดเจนว่าเป็นไปได้ทางเทคโนโลยี แม้จะไม่มีทฤษฎีที่สมบูรณ์ เพื่อค้นหาหลักฐานของคุณสมบัติทั่วไปที่คาดว่าจะมีแรงโน้มถ่วงควอนตัม เช่นเดียวกับที่ระบุไว้ข้างต้น และอื่นๆ เช่น การละเมิด ของความสมมาตรบางอย่าง สิ่งนี้สามารถทำได้
และประสบความสำเร็จในบางกรณีแล้วผ่านการใช้แบบจำลองปรากฏการณ์วิทยา โมเดลดังกล่าวกำหนดเอฟเฟกต์และเชื่อมโยงกับการสังเกต จากนั้นสามารถใช้การสังเกตเพื่อเรียนรู้ว่าทฤษฎีที่ยังไม่พบสามารถมีคุณสมบัติใดได้บ้างและไม่สามารถมีได้ ฉันคิดว่าแนวทางการทดลองนี้
