Jede konsistente Kopplung zwischen klassischer Schwerkraft und Quantenmaterie ist grundsätzlich irreversibel

Jede konsistente Kopplung zwischen klassischer Schwerkraft und Quantenmaterie ist grundsätzlich irreversibel

Quellknoten: 2940726

Thomas D. Galeere1, Flaminia Giacomini2und John H. Selby3

1Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Boltzmanngasse 3, 1090 Wien, Österreich
2Institut für Theoretische Physik, ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
3ICTQT, Universität Danzig, Wita Stwosza 63, 80-308 Danzig, Polen

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Abstrakt

Wenn die Schwerkraft durch ein Quantensystem erzeugt wird, besteht ein Spannungsverhältnis zwischen ihrer Rolle als Vermittler einer fundamentalen Wechselwirkung, von der erwartet wird, dass sie nichtklassische Merkmale annimmt, und ihrer Rolle bei der Bestimmung der Eigenschaften der Raumzeit, die von Natur aus klassisch ist. Grundsätzlich sollte diese Spannung dazu führen, dass eines der Grundprinzipien der Quantentheorie oder der Allgemeinen Relativitätstheorie gebrochen wird, aber es ist normalerweise schwierig, welches davon zu beurteilen, ohne auf ein bestimmtes Modell zurückzugreifen. Hier beantworten wir diese Frage theorieunabhängig mithilfe allgemeiner probabilistischer Theorien (GPTs). Wir betrachten die Wechselwirkungen des Gravitationsfeldes mit einem einzelnen Materiesystem und leiten ein No-Go-Theorem ab, das zeigt, dass bei klassischer Schwerkraft mindestens eine der folgenden Annahmen verletzt werden muss: (i) Die Freiheitsgrade der Materie werden durch vollständig beschrieben nichtklassische Freiheitsgrade; (ii) Wechselwirkungen zwischen den Freiheitsgraden der Materie und dem Gravitationsfeld sind reversibel; (iii) Materiefreiheitsgrade reagieren auf das Gravitationsfeld zurück. Wir argumentieren, dass dies impliziert, dass Theorien der klassischen Schwerkraft und Quantenmaterie grundsätzlich irreversibel sein müssen, wie es im jüngsten Modell von Oppenheim et al. der Fall ist. Wenn wir umgekehrt verlangen, dass die Wechselwirkung zwischen Quantenmaterie und dem Gravitationsfeld reversibel ist, dann muss das Gravitationsfeld nichtklassisch sein.

Eine zentrale Frage der modernen Physik ist die Frage, wie sich Quantentheorie und allgemeine Relativitätstheorie vereinen lassen. In der Vergangenheit wurden viele Argumente vorgebracht, die behaupteten, dass eine Vereinheitlichung der beiden Theorien nur durch Quantisierung des Gravitationsfeldes erreicht werden könne, und tatsächlich zielen die meisten Ansätze zur Vereinheitlichung darauf ab. In diesem Artikel zeigen wir, dass bestehende Argumente für die Quantisierung des Gravitationsfeldes wichtige zugrunde liegende Annahmen wie die Reversibilität von Wechselwirkungen und die Möglichkeit der Herstellung von Quantenüberlagerungszuständen voraussetzen. Wir beweisen einen Satz, der nicht von einer theoretischen Beschreibung von Schwerkraft und Materie abhängt und zeigt, dass jede konsistente Kopplung zwischen klassischer Schwerkraft und vollständiger Quantenmaterie irreversibel sein muss. Dies zeigt, dass Konsistenzanforderungen allein nicht vorschreiben, dass die Schwerkraft quantisiert werden muss, und dass darüber hinaus jeder Versuch, die klassische Schwerkraft und die vollständige Quantenmaterie zu vereinen, zwangsläufig irreversible Wechselwirkungen zwischen Materie und dem Gravitationsfeld beinhalten muss.

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