Nytt teoretiskt ramverk för att identifiera kvantgravitation

Kvantmekanik och gravitation är två av fysikens mest grundläggande teorier. Trots att båda beskriver naturen med stor precision har de ännu inte kunnat förenas i en gemensam teori om kvantgravitation – en av den moderna fysikens största utmaningar.

Nu har forskare vid Stockholms universitet, Kyushu University och University of Waterloo utvecklat ett teoretiskt ramverk som visar vilka observationer som kan avgöra om gravitationen följer den klassiska fysikens lagar eller om den måste beskrivas med kvantmekanik. Ramverket ger forskare en tydligare väg framåt när de utformar experiment som kan ge svar på frågan om hur gravitation fungerar på kvantnivå – ett viktigt steg mot en teori som förenar fysikens två grundpelare.

Kan rymdtid vara i flera tillstånd samtidigt?

Allt omkring oss – från atomer och molekyler till planeter och galaxer – beskrivs av två av fysikens mest framgångsrika teorier: kvantmekanik och gravitation. Kvantmekaniken förklarar den mikroskopiska världens märkliga beteenden, medan Einsteins gravitationsteori beskriver allt från stjärnors rörelser till svarta hål och universums expansion.

Trots sina enorma framgångar går teorierna inte ihop. Fysiker söker därför en gemensam beskrivning av naturen – en teori om kvantgravitation.

Hur ser kvantgravitation egentligen ut?

En central tanke är att även gravitationen måste följa kvantmekanikens lagar. Det leder till en märklig konsekvens: i kvantfysiken kan partiklar befinna sig på flera platser samtidigt, i så kallade superpositioner, något som redan bekräftats i experiment med atomer och små objekt.

Samtidigt beskriver gravitationen – enligt Einstein – själva rumtiden som något som kan krökas, böjas och till och med bära vågor, vilket nyligen bekräftats genom observationer av gravitationsvågor.

Det väcker en djup fråga: om kvantobjekt kan befinna sig i flera tillstånd samtidigt, kan då även rumtiden runt dem göra det?

Två sätt att se samma fysik

I en ny studie publicerad i npj Quantum Information visar forskare vid Stockholms universitet, Kyushu University och University of Waterloo att svaret inte är så enkelt som det kan verka.

Forskarna har utvecklat ett teoretiskt ramverk som visar att många situationer som tidigare beskrivits som en “kvantsuperposition av gravitation” i själva verket kan tolkas på två olika, men fullt likvärdiga sätt. Antingen kan man se det som att gravitationen själv befinner sig i en kvantsuperposition – eller som att kvantpartiklar rör sig i ett vanligt gravitationsfält.

– Många föreslagna experiment har syftat till att hitta tecken på gravitationens kvantnatur, säger Joshua Foo vid Kyushu University, som är studiens huvudförfattare. – Det vi visar är att vissa av dessa scenarier kan beskrivas på två lika giltiga sätt.

Forskarna kallar detta fenomen för “relativiteten hos rumtidens superpositioner”. Precis som olika kartprojektioner kan visa samma landskap på olika sätt, kan samma fysik beskrivas antingen som “kvantgravitation” eller som klassisk gravitation tillsammans med kvantmekanik.

Viktigt för framtida experiment

Resultatet betyder inte att gravitationen inte är kvantmekanisk – och utesluter inte heller kvantgravitation. Snarare visar det att vissa föreslagna experiment kan vara svårare att tolka än man tidigare trott.

– Vårt arbete säger inte att sådana experiment inte fungerar, säger Magdalena Zych vid Stockholms universitet. – Men det hjälper oss att skilja mellan signaler som verkligen kräver en kvantbeskrivning av gravitation och sådana som kan uppstå även i mer välkänd fysik.

Den här distinktionen är viktig när framtida experiment ska utformas.

En vägledning mot svaret

Även om forskningen rör mycket grundläggande frågor har historien visat att sådana studier ofta leder till oväntade tillämpningar – från GPS-system och laserteknik till modern elektronik.

På kort sikt ger resultaten framför allt en tydligare karta över vad forskare ska leta efter.

– Att förstå hur kvantmekanik och gravitation hänger ihop är en av fysikens största utmaningar, säger Foo. – Innan vi kan testa gravitationens kvantnatur måste vi veta vad vi faktiskt letar efter. Det är där vårt arbete bidrar.