Mfano wa kiklasiki wa vipimo vitano unajaribu kujenga upya tabia ya kwanta bila kuufanya mvuto kuwa wa kwanta

Njia ya kiklasiki kuelekea mvuto wa kwanta ni dai kubwa. Hii bado ni mfano.

Majaribio mengi ya kuunganisha mekanika ya kwanta na mvuto huanza kwa kujaribu kuufanya mvuto uwe wa kwanta. Makala mpya katika Scientific Reports ya Filip Strubbe inajaribu mwelekeo wa kinyume: kuweka misingi katika mfumo wa kiklasiki, kuongeza kigezo cha ziada cha mageuzi, kisha kuuliza ikiwa athari tunazozifahamu za mvuto na baadhi ya matukio ya kwanta zinaweza kujitokeza kutoka katika mienendo hiyo pana zaidi ya kiklasiki.

Hilo ni wazo la kuchochea fikra. Pia ni rahisi kulizidisha.

Makala haitatui mvuto wa kwanta. Haionyeshi kwamba mekanika ya kwanta ni potofu. Haikanushi nadharia ya Bell wala kuthibitisha kwamba ulimwengu kwa siri ni mashine rahisi inayofuata saa. Inachotoa ni mfumo uliopendekezwa wa kiklasiki wenye vipimo vitano ambao unaweza kuzalisha upya, katika mifano, baadhi ya tabia za mvuto na tabia zinazofanana na za kwanta, na ambao unatoa utabiri fulani unaoweza kutofautiana na nadharia ya kawaida ya kwanta.

Swali lenye manufaa si “je, fizikia ya kiklasiki imeshinda fizikia ya kwanta?” Haijafanya hivyo. Swali lenye manufaa ni finyu zaidi: nadharia ya kiklasiki ingelazimika kuacha nini, au kuongeza nini, ili kuiga baadhi ya mambo ambayo fizikia ya kiklasiki ya kawaida ya vipimo vinne haiwezi kuiga?

Katika makala hii, kiungo kinachoongezwa si kipimo cha tano cha nafasi. Ni kigezo cha ziada, kinachoitwa tau, ambacho chini yake anga-wakati wa kawaida wa vipimo vinne hubadilika.

Muda wa ziada ambao si muda wa kawaida

Mfumo huanza na anga-wakati wa kawaida wa vipimo vinne: kiratibu kimoja cha muda na viratibu vitatu vya nafasi. Kisha huongeza kigezo cha nje cha mageuzi, tau. Muda wa kiratibu huweka alama kwa matukio ndani ya anga-wakati. Tau huamua jinsi usanidi mzima wa anga-wakati unavyotulia kuelekea msawazo.

Tofauti hiyo ndiyo uti wa mgongo wa pendekezo. Makala inauita mpangilio huu mfumo wa 4D + tau. Kirasmi una vipimo vitano, lakini mwandishi yuko makini kuhusu maana yake: hakuna metriki ya vipimo vitano inayochukua nafasi ya metriki ya kawaida ya anga-wakati wa vipimo vinne. Badala yake, tau ni kigezo kinachoendesha mienendo ya jiometria ya vipimo vinne na ya mistari-dunia ya chembe iliyo ndani yake.

Taswira hiyo imekusudiwa kuwa isiyo ya kawaida. Vitu vya msingi si wavefunction. Ni mistari-dunia: njia kupitia anga-wakati ambazo zinaweza kubadilika tau inapobadilika. Makala inawaza anga-wakati kama unaoendelea “kukristalika” katika mwelekeo wa muda. Nyuma ya mpaka wa ukristalishaji, usanidi umeshatulia katika matokeo thabiti; mbele yake, siku zijazo bado hazijapangwa kwa namna hiyo hiyo.

Kwa mwangalizi aliye ndani ya mfumo, ni matokeo yaliyofikia msawazo tu yanayoweza kufikiwa. Mwangalizi haioni tau moja kwa moja. Badala yake, huunda upya historia ya kawaida ya vipimo vinne kutokana na mfululizo wa matokeo ambayo tayari yamekristalika.

Hivyo ndivyo makala inavyojaribu kupata mambo mawili kwa wakati mmoja: mienendo ya msingi ya kiklasiki yenye matokeo yaliyobainishwa, na kuonekana kwa muda wa kawaida, matokeo ya vipimo, na tabia inayofanana na ya kwanta kutoka ndani ya mfumo.

Kwanza mvuto: Newton, kisha vipande vya Einstein

Sehemu ya mvuto ya makala huanza katika kikomo cha mvuto dhaifu. Mwandishi anaandika mlinganyo wa kutulia kwa potenshali ya mvuto. Mfumo unapofikia msawazo kuhusiana na tau, mlinganyo huo hupungua kuwa mlinganyo wa kawaida wa Poisson wa Newton kwa mvuto.

Makala pia inaipa mistari-dunia kanuni yake ya kutulia. Katika msawazo, mistari-dunia inaelekezwa kuelekea njia zinazotarajiwa kutoka kwa mvuto wa Newton. Mifano ya kihesabu imekusudiwa kuwa rahisi: kwa mfano, misa tulivu na mfumo wa misa mbili unaotulia kuelekea anga-wakati wa Newton.

Kisha mwandishi anapanua wazo hilo kuelekea uhusiano wa jumla. Badala ya kutuliza potenshali ya Newton pekee, mfumo hutuliza metriki ya anga-wakati yenyewe. Katika msawazo, mistari-dunia huwa geodesiki: njia zinazofuatwa na vitu vinavyoanguka kwa uhuru wakati hakuna nguvu nyingine isipokuwa mvuto, yaani wenzao katika anga-wakati uliopinda wa mistari iliyonyooka. Jiometria hiyo imekusudiwa kurejesha sifa za msingi za uhusiano wa jumla.

Tahadhari hapa ni muhimu. Makala si utoaji kamili wa kila utabiri wa uhusiano wa jumla katika mazingira ya uga wenye nguvu. Inaacha wazi kwa kazi za baadaye maeneo ya uga wenye nguvu, singularities, redshift ya mvuto, mawimbi ya mvuto, na tabia changamano zaidi za mistari-dunia. Dai ni kwamba mfumo unaweza kurejesha mvuto wa Newton katika kikomo dhaifu na muundo wa msingi wa uhusiano wa jumla katika mazingira laini zaidi, si kwamba umebadilisha mashine nzima ya uhusiano wa Einstein iliyokwisha kupimwa.

Hatua ya jaribio la Bell: badilisha dhana ya anga-wakati

Sehemu ngumu zaidi ya maelezo yoyote ya kiklasiki ya mekanika ya kwanta ni kutokuwa kwa eneo maalumu.

Nadharia ya Bell inatuambia kwamba, chini ya dhana za kawaida, hakuna mfano wa vigezo fiche wa kienyeji unaoweza kuzalisha upya uwiano wote wa kwanta. Majaribio yamevunja mara nyingi ukosefu wa usawa wa Bell. Ndiyo maana picha za kawaida za kiklasiki katika anga-wakati wa vipimo vinne hushindwa.

Jibu la makala si kuikana nadharia ya Bell. Inabadilisha mazingira ambamo nadharia hiyo inatumika. Katika mfumo wa 4D + tau, athari zinaweza kuenea pamoja na mistari-dunia wakati usanidi unabadilika katika tau. Kutoka kwa mtazamo wa anga-wakati wa kawaida, hii inaweza kuonekana kama uwiano usio wa kienyeji. Kutoka kwa mtazamo wa mienendo ya msingi inayopendekezwa, mwingiliano ni wa kienyeji pamoja na mistari-dunia husika katika tau.

Makala inaiga jaribio la aina ya EPR lenye fotoni mbili zinazopimwa na Alice na Bob. Mfano unazalisha upya uwiano wa kawaida wa kwanta kwa hali ya polarisasi iliyofungamana kikamilifu. Gharama ya kirasmi iko wazi: mfano unaacha kabisa uhuru wa kitakwimu, huku kipimo cha Alice kikiweka hali ya Bob mapema kupitia mienendo ya tau. Utaratibu si collapse ya kawaida ya kwanta; ni kutulia kunakoendeshwa na tau kwa hali za polarisasi pamoja na mistari-dunia iliyounganishwa.

Hii ndiyo sehemu inayohitaji mpaka mkali zaidi. Kuzalisha upya mfano mmoja wa aina ya EPR ndani ya mfumo uliopendekezwa si sawa na kutoa mekanika yote ya kwanta kutoka kwa mekanika ya kiklasiki. Makala yenyewe inasema kwamba mikengeuko kutoka kwa utabiri wa kawaida wa kwanta inaweza kuonekana ikiwa uhamishaji wa taarifa pamoja na mistari-dunia ungekuwa polepole mno, au ikiwa umbali wa nafasi ungekuwa mkubwa kiasi kwamba kipimo kimoja kingekamilika kabla taarifa husika ya matokeo haijaenea katika tau.

Hilo ni eneo la utabiri, si tamko la ushindi.

Mpasuko-mbili, umejengwa upya kwa mistari-dunia inayosonga

Mfano wa pili wa kwanta ni mwingiliano wa mpasuko-mbili.

Makala inatengeneza mfano wa chembe yenye misa, hasa neutroni, kama kifurushi cha mistari-dunia badala ya nukta moja ya kiklasiki au wavefunction ya kawaida ya kwanta. Katika mfano huo, neutroni ina urefu wa wimbi wa de Broglie wa 2 nm na kasi ya 2,000 m/s. Upana wa mpasuko uliosimuliwa ni 10 nm na umbali kati ya mipasuko ni 25 nm, vikiwa vimechaguliwa kuwa vidogo kuliko katika majaribio ya kawaida ya mwingiliano wa neutroni ili kufanya muundo uonekane wazi zaidi.

Kifurushi cha mistari-dunia hubadilika chini ya kanuni ya entropia. Msongamano wa ncha za mistari-dunia huzalisha usambazaji unaofanana na mwingiliano, huku “mstari-dunia wa momentamu” mmoja uliochaguliwa ukibeba nishati na momentamu na kuamua tukio halisi la utambuzi. Hivyo ndivyo makala inavyotenganisha tabia inayofanana na wimbi na matokeo yanayofanana na chembe bila kuitisha superposition ya asili ya kwanta.

Kisha makala inauliza mvuto ungeonyesha nini. Katika kila neutroni iliyosimuliwa, mistari-dunia mingi huchangia kwenye msongamano unaofanana na mwingiliano, lakini ni mstari-dunia wa momentamu uliochaguliwa pekee unaobeba nishati na momentamu na kuwa chanzo cha mvuto. Mfano unaweka kipima-mvuto kimoja cha kinadharia katikati ya mipasuko na vingine viwili kwa ulinganifu kushoto na kulia. Ikiwa mstari-dunia wa momentamu unapita katika mpasuko wa kulia badala ya wa kushoto, mwitikio mdogo sana wa mvuto huhama pamoja nao. Kusoma utofauti huo kungefichua mpasuko uliochaguliwa, huku kifurushi kamili cha mistari-dunia bado kikijenga muundo wa mwingiliano kwenye skrini. Kadirio la kuongeza kasi ni takriban $2 \times 10^{-23}\,\mathrm{m\,s^{-2}}$, na makala inaweka wazi kwamba vikwazo vya vitendo vya kipimo vimeachwa pembeni.

Nambari hiyo ni muhimu kwa sababu inaweka dai katika mipaka yake. Pendekezo si kwamba mtu tayari amepima taarifa ya njia iliyopita kwa kutumia mvuto bila kuvuruga mwingiliano. Ni kwamba, katika mfano huu, taarifa hiyo inapaswa kwa kanuni kupatikana kwa sababu uga wa mvuto umefungwa kwa mstari-dunia mmoja ulio bainishwa, si kwa superposition ya njia zote mbili.

Hilo linapingana moja kwa moja na matarajio ya kawaida ya kwanta kwamba taarifa ya njia iliyopita huharibu mwingiliano. Pia linaipa mfumo sehemu inayoweza kushinikizwa na majaribio.

Hili halithibitishi nini

• Halithibitishi kwamba mvuto wa kwanta umetatuliwa.
• Halithibitishi kwamba mvuto kwa asili ni wa kiklasiki.
• Halikatai nadharia ya Bell; linabadilisha mazingira ya anga-wakati na kisababishi na kuacha uhuru wa kitakwimu katika mfano.
• Halizalishi upya mekanika yote ya kwanta. Makala inaiga matukio yaliyochaguliwa na inaacha mfumo kamili wa kwanta kwa kazi za baadaye.
• Halionyeshi kwamba uhusiano wa jumla umerejeshwa kikamilifu katika maeneo ya uga wenye nguvu.
• Halifanyi wavefunction, nafasi za Hilbert, nambari changamani au nadharia ya uga wa kwanta kuwa zisizo na maana.
• Halitoi uthibitisho wa majaribio. Kazi hii ni ya kinadharia na inategemea uigaji.

Mpaka safi ni huu: makala inapendekeza mfumo wa kiklasiki wa vipimo vya juu zaidi unaoweza kuiga tabia kadhaa ngumu. Haijaonyesha kwamba asili kweli hutumia mfumo huo.

Ni nini kingeufanya upimike?

Sehemu yenye thamani kubwa zaidi ya makala ni kwamba haisalii katika falsafa pekee. Inaelekeza kwenye maeneo ambako mfumo unaweza kutofautiana na nadharia ya kawaida ya kwanta.

Utabiri mmoja unahusu majaribio ya aina ya EPR. Ikiwa uhamishaji wa taarifa unaopatanishwa na tau pamoja na mistari-dunia si wa karibu na wa papo hapo ikilinganishwa na mchakato wa ukristalishaji, basi mipangilio ya vipimo yenye umbali mkubwa vya kutosha au inayofanya vipimo kwa kasi kubwa inaweza kupotoka kutoka kwa uwiano wa kawaida wa kwanta.

Utabiri mwingine unahusu majaribio ya mpasuko-mbili kwa chembe zenye misa. Mfano unasema kwamba taarifa ya njia iliyopita kupitia mvuto inaweza, kwa kanuni, kutolewa bila kuondoa muundo wa mwingiliano. Hilo ni tofauti kubwa na hoja ya kawaida ya kwanta, ingawa ishara inayopendekezwa ni ndogo mno na uwezekano wa kuipima kwa vitendo haujaonyeshwa.

Utabiri wa tatu unahusu mapendekezo ya kupima ikiwa mvuto unaweza kupatanisha kufungamana kwa kwanta kati ya misa. Mapendekezo mengi ya sasa ya kupima mvuto wa kwanta huchukulia kufungamana kunakopatanishwa na mvuto kama ushahidi kwamba mvuto lazima uwe na sifa za kwanta. Katika mfumo wa Strubbe, uga wa mvuto umepewa mstari-dunia mmoja wa uhakika, kwa hiyo kufungamana kunakosababishwa na mvuto kwa namna hiyo hakupaswi kutokea.

Hizo si tofauti ndogo. Ndizo hasa aina ya tofauti ambazo mfumo wa kubashiri unahitaji ikiwa unataka kuwa zaidi ya tafsiri tu.

Ushahidi una nguvu kiasi gani?

Ushahidi una nguvu zaidi kama onyesho la uthabiti wa ndani.

Makala inaweka milinganyo, uigaji na mifano inayoonyesha jinsi mfumo wake wa 4D + tau unavyoweza kurejesha mvuto wa Newton katika msawazo, kusogea kuelekea muundo wa uhusiano wa jumla, kuzalisha upya mfano wa uwiano wa EPR, na kuunda muundo unaofanana na mwingiliano wa mpasuko-mbili kwa chembe yenye misa.

Lakini ushahidi bado si wenye nguvu kama ushahidi kuhusu ulimwengu halisi.

Maonyesho ni ya kuchagua. Mfumo haujaendelezwa kuwa fomula kamili ya kwanta. Kesi za mvuto wenye nguvu hazijatatuliwa. Mikengeuko inayopendekezwa kwa majaribio haijaonekana. Taarifa ya upatikanaji wa data inasema seti za data zilizotengenezwa na kuchanganuliwa katika utafiti zinapatikana kutoka kwa mwandishi anayehusika kwa ombi linalofaa, lakini dai kuu si kipimo kipya; ni ujenzi wa kinadharia.

Hilo si kasoro lenyewe. Mifumo mipya mara nyingi huanza kama ujenzi wa kinadharia. Lakini usomaji safi unapaswa kuweka ujenzi, uigaji, utabiri na uthibitisho katika visanduku tofauti.

Kwa nini ni muhimu

Makala za misingi zinaweza kusikika kubwa kwa sababu msamiati wake ni mkubwa: mvuto wa kwanta, kutokuwa kwa eneo maalumu, muda, uhalisia, uamuzi. Hatari ni kwamba kichwa kinakuwa kikubwa kuliko matokeo.

Makala hii inastahili kusomwa kwa sababu inashambulia sehemu halisi yenye shinikizo. Nadharia ya kawaida ya kwanta na uhusiano wa jumla haziungani kwa urahisi. Uwiano wa aina ya Bell kwa kweli hushinda maelezo ya kawaida ya kiklasiki ya kienyeji katika anga-wakati wa kawaida. Kipimo na muda bado ni vigumu kimawazo. Mfumo unaosema “labda dhana ya anga-wakati ndiyo mahali pabaya pa kuanzia” si sahihi moja kwa moja, lakini unauliza swali halali.

Hatua ya kuvutia si hamu ya kurudi kwenye fizikia ya kiklasiki ya zamani. Ni gharama ya kufanya picha ya kiklasiki ifanye kazi: kisababishi cha anga-wakati wa kawaida si tena uwanja mzima wa kisababishi. Mfumo unanunua uhalisia na uamuzi kwa kuongeza mienendo ya tau ambayo waangalizi hawawezi kuifikia moja kwa moja.

Ikiwa gharama hiyo inakubalika ni swali la fizikia, si kauli mbiu. Utabiri wa makala yenyewe ndio mahali swali hilo linapaswa kupimwa.

Muhtasari safi

Filip Strubbe anapendekeza mfumo wa kiklasiki wenye vipimo vitano ambamo anga-wakati wa kawaida wa vipimo vinne hubadilika chini ya kigezo cha ziada, tau. Katika msawazo, mfumo unarejesha mvuto wa Newton katika kikomo cha mvuto dhaifu na unalenga kurejesha muundo wa msingi wa uhusiano wa jumla zaidi ya hapo. Pia unaiga matukio mawili ya kwanta: uwiano wa aina ya EPR kupitia athari zinazoenea pamoja na mistari-dunia katika tau, na mwingiliano wa mpasuko-mbili kupitia kifurushi cha mistari-dunia ambacho msongamano wake una tabia kama ya wimbi huku mstari-dunia mmoja wa momentamu ukiamua matokeo. Pendekezo ni la kinadharia na linategemea uigaji. Umuhimu wake si kwamba linatatua mvuto wa kwanta, bali kwamba linaweka mbadala halisi wa kiklasiki wenye tofauti zinazoweza kupimwa, ikiwemo taarifa ya njia iliyopita kupitia mvuto na matarajio hasi kwa baadhi ya majaribio ya kufungamana kunakopatanishwa na mvuto.

Ukaguzi bila chumvi

Makala inaonyesha nini: Mfumo uliopendekezwa wa kiklasiki wa 4D + tau unaweza kuzalisha upya katika mifano baadhi ya tabia za mvuto na zinazofanana na za kwanta: mvuto wa Newton katika msawazo, muundo wa msingi wa uhusiano wa jumla, uwiano wa aina ya EPR, na mwingiliano unaofanana na wa mpasuko-mbili.

Ni nini kinawezekana lakini hakijathibitishwa: Kwamba mfumo huu unaweza kuwa njia mbadala halisi kuelekea mvuto wa kwanta. Makala inatoa njia na utabiri; haijaonyesha kwamba asili inaufuata.

Haionyeshi nini: Haitatui mvuto wa kwanta, haikatai mekanika ya kwanta, haikatai nadharia ya Bell, wala haithibitishi kwa majaribio kwamba mvuto ni wa kiklasiki. Pia haitoi mbadala kamili wa fomula yote ya kwanta.

Kizuizi kikuu kwa msomaji wa kawaida: Hatua kuu ya makala ni kuongeza mienendo ya tau nje ya anga-wakati wa kawaida. Hilo linaweza kuwa na manufaa ya kifizikia, lakini pia ndilo dhana inayofanya sehemu kubwa ya kazi. Usichanganye “kiklasiki ndani ya mfumo mpana zaidi” na “fizikia ya kawaida ya kiklasiki ilikuwa sahihi tangu mwanzo.”

Msomaji wa kawaida anapaswa kuwa na imani kiasi gani? Imani ya wastani kwamba makala inatoa ujenzi wa kinadharia ulio makini na wazi; imani ndogo kwamba ndiyo jibu la mwisho. Hitimisho sahihi si kuamini wala kukataa, bali kuuliza swali kali zaidi: je, mikengeuko yake inayopendekezwa kutoka kwa nadharia ya kawaida ya kwanta inaweza kufanywa ipimike kwa majaribio?