Einstein’ın denklemlerinin türetilmesi yoluyla birbirine bağlanan yerçekimi ve kuantum bilgisi

Son araştırmalar, yerçekimi ve kuantum bilgisinin derinden bağlantılı olduğunu ve uzay-zamanın şeklinin, bilginin kuantum alanlarında depolanma şekline kadar izlenebileceğini gösteriyor.

Einstein’ın genel görelilik teorisi, yerçekimini, madde ve enerjinin neden olduğu uzay ve zamanın eğriliği olarak tanımlar. Kuantum teorisi ise mikroskobik dünyayı anlatır. Bu ikisini birleştirmek fizikteki en büyük açık problemlerden biridir.

1995 yılında fizikçi Ted Jacobson, Einstein’ın denklemlerinin termodinamikten, yani ısı ve entropi fiziğinden türetilebileceğini gösterdi; tıpkı bir gazı yöneten yasaların moleküllerinin hareketinden ortaya çıkması gibi. Bu, yerçekiminin temel olmayabileceğini ancak daha derin bir şeyden ortaya çıkabileceğini öne sürdü.

Dergisinde yayınlanan araştırmalarında Fiziksel İnceleme MektuplarıYazarlar, kuantum bilgisini uzay-zaman geometrisine bağlayan karmaşık matematiksel yöntemler aracılığıyla genel göreliliğin termodinamik türetilmesini yeniden yapılandırıyorlar.

Bununla birlikte, makale ve yazarlarla yapılan kapsamlı görüşmeler, araştırmalarının yerçekiminin kökeni hakkında yeni ipuçları sağlayabileceğini ve kuantum bağıl entropi kullanımı yoluyla vardıkları geçici bir sonuca işaret ediyor.

Yazarlar, uzay ve yerçekiminin doğanın temel özellikleri olmayabileceği, bunun yerine kuantum dünyasından ortaya çıkabileceği fikri üzerine inşa ediyorlar. Klasik entropi kavramına güvenmek yerine, kuantum bilgi teorisinden alınan ve iki kuantum durumunun ne kadar ayırt edilebilir olduğunu ölçen kesin bir matematiksel ölçü olan kuantum bağıl entropisini kullanırlar.

Kuantum alan teorisi ve genel görelilik yardımcı doçenti ve çalışmanın ortak yazarı Dr. Albert Much, “Uzay-zamanda ötesinde hiçbir bilginin alınamayacağı bir sınır olan bir ufukta değerlendirilen bu miktarın, bu ufuk boyunca akan enerjiye eşit olduğunu gösterdik” diye açıkladı.

“Bekenstein ve Hawking tarafından gösterildiği gibi, entropi ile ufukların alanı arasındaki köklü ilişkiyle birleştiğinde bu, doğrudan kuantum maddenin uzay-zamanı nasıl büktüğünü açıklayan denklemlere yol açıyor.”

Göreceli entropi, iki kuantum durumunun birbirinden ne kadar iyi ayrılabileceğini ölçer. Hiçbir zaman tamamen hareketsiz olmayan denizin yüzeyini hayal edin. Sürekli dalgalanması, boş uzay dediğimiz durum olan kuantum boşluğu gibidir. Şimdi bu yüzeyden geçen bir dalgayı hayal edin. Göreceli entropi bize o dalgayı dalgalanan arka plandan ne kadar iyi ayırt edebileceğimizi söyler.

Bilgi yer çekimine dönüştüğünde

Yazarlar, bulgularının öneminin, kanıtlarının gerçek yeniliğine dayandığını ileri sürüyorlar. Aynı zamanda bilgi ile yer çekimi arasındaki derin bağlantının temel bileşenlerinin zaten bilindiğini de kabul ediyorlar.

Ancak araştırmacılar, bu ilişkinin kesin çıkarımlar ve kanıtlarla desteklenen tamamen katı bir matematiksel çerçeve yerine genellikle fiziksel sezgiler ve düşündürücü argümanlar yoluyla sunulduğunu vurguluyor.

Onlarca yıldır entropi ve yerçekimi arasındaki bağlantı klasik termodinamikle olan analojilere dayanıyordu. Çalışma, kesin kuantum bilgi kavramının onun yerini alabileceğini gösteriyor; bu, yazarların kuantum yerçekimini anlama yönünde anlamlı bir adım olarak gördükleri bir gelişme.

Much, “Bizim türetmemiz, daha önceki buluşsal argümanların yerine matematiksel olarak kesin ve iyi tanımlanmış nicelikler kullanıyor” dedi. “Bu, kuantum yerçekimi teorisi arayışında önemli bir ipucu olan, uzay-zaman ve yerçekiminin daha temel kuantum bilgisinden ortaya çıkabileceği görüşünü destekliyor.”

Araştırma, yerçekiminin özünde kuantum bilgisine dayandığını öne sürüyor. Uzay ve zaman eğrisinin şekli, kuantum durumlarının birbirinden nasıl ayırt edilebileceğine göre belirlenebilir.

Much, “Kuantum düzeltmeli formdaki yerçekimi denklemleri kuantum bilgisinden elde edilebilir” dedi. “Bu biraz gitarın telini çekmeye benziyor: madde teldir, uzay-zaman teldir ve ürettiği nota da Einstein’ın denklemleridir.”

Yerçekimsel bir arka plandaki kuantum maddeyi tanımlayan kavisli uzay-zamandaki kuantum alan teorisi, genellikle kuantum yerçekimine doğru ilk adım olarak görülüyor. Almanya’daki Leipzig Üniversitesi Teorik Fizik Enstitüsü’nde teorik fizikçi olan ortak yazar Philipp Dorau’ya göre bulgular, bu ilk adımın daha temel bir ilişkiye işaret ettiğini öne sürüyor: yerel uzay-zaman eğriliği kuantum bilgisine bağlıdır.

Dorau, “Çalışmamızın bileşenlerinin çoğu onlarca yıldır biliniyor. Fizikçiler, boş uzayın termal özelliklerinin yanı sıra, kara deliklerinki gibi ufuklara yakın kuantum maddenin nasıl davrandığını uzun süredir araştırıyorlar.” “Bize kuantum bilgisi, termodinamik ve yerçekimi arasındaki eksik bağlantıyı veren, göreceli entropinin anlaşılmasında son zamanlarda kaydedilen ilerlemeydi.”

Kuantum-yerçekimi uçurumunu kapatmak

Araştırmanın acil uygulamaları olmasa da değeri doğanın temellerine dair anlayışımızı derinleştirmesinde yatmaktadır. Tarihsel olarak, bu tür temel çalışmaların genellikle uzun vadeli muazzam bir etkisi olmuştur. Much, bir zamanlar tamamen teorik bir çerçeve olarak kabul edilen genel göreliliğin artık GPS gibi teknolojiler için hayati öneme sahip olduğunu söyledi.

“Ayrıca, çalışmamızın dili olan kuantum bilgisi, kuantum hesaplama ve kuantum teknolojilerinin temelini oluşturan çerçevenin aynısıdır” diye ekledi.

Bulgular doğrulanır ve daha da geliştirilirse, modern fizikteki en derin ayrımlardan birinin kapatılmasına yardımcı olabilir: mikroskobik dünyayı yöneten kuantum yasalarıyla Einstein’ın yerçekimi teorisi arasındaki hâlâ çözülmemiş uçurum.

Bu derin ayrımın farkında olan yazarlar, yerçekimini başlı başına temel bir kuvvet olarak ele almıyorlar. Aksine, onların çalışmaları, uzay-zamanın kendisinin kuantum evreninin bilgi yapısından ortaya çıkabileceği fikrine destek veriyor.

Artık bulgularını, kara delik fiziğinde merkezi bir rol oynayan kuantum maddesinin farklı formları, daha genel kuantum durumları ve ışığa benzer yüzeyler dahil olmak üzere daha genel senaryolara genişletmeyi hedefliyorlar.

Much, “Şu anda bunu tam kuantum çekime genelleştirmeye çalışıyoruz ve bana öyle geliyor ki, tanımladığımız bu bağlantı, çeşitli kuantum çekim teorileri için bir test yatağı görevi görecek” dedi.

Gelecekteki araştırmalarının, bu denklemlerin bir tarafına yerleştirilebilecek kuantum bileşenini formüle etmeye ve diğer tarafta doğru şeyin (yani Einstein denklemleri + düzeltmeler) ortaya çıkıp çıkmadığını görmeye odaklanacağını ekledi.

“Uzun vadeli hedefimiz, yerçekiminin yalnızca kuantum bilgisinden ne kadar elde edilebileceğini bilmek ve açıklığa kavuşturmaktır; bu, kuantum yerçekiminin tam teorisine doğru rehberlik sağlayabilir.”