Any Consistent Coupling Between Classical Gravity And Quantum Matter Is Fundamentally Irreversible

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Thomas D. Galley¹, Flaminia Giacomini²și John H. Selby³

¹Institutul de optică cuantică și informații cuantice, Academia austriacă de științe, Boltzmanngasse 3, 1090 Viena, Austria
²Institutul de Fizică Teoretică, ETH Zürich, 8093 Zürich, Elveția
³ICTQT, Universitatea din Gdańsk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdańsk, Polonia

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Când gravitația este generată de un sistem cuantic, există o tensiune între rolul său de mediator al unei interacțiuni fundamentale, despre care se așteaptă să dobândească caracteristici neclasice, și rolul său în determinarea proprietăților spațiu-timpului, care este în mod inerent clasic. În mod fundamental, această tensiune ar trebui să aibă ca rezultat încălcarea unuia dintre principiile fundamentale ale teoriei cuantice sau ale relativității generale, dar de obicei este greu de evaluat care dintre ele fără a recurge la un model specific. Aici, răspundem la această întrebare într-un mod independent de teorie folosind Teorii probabilistice generale (GPT). Luăm în considerare interacțiunile câmpului gravitațional cu un singur sistem de materie și derivăm o teoremă interzisă care arată că atunci când gravitația este clasică, trebuie încălcată cel puțin una dintre următoarele ipoteze: (i) Gradele de libertate ale materiei sunt descrise complet de grade de libertate neclasice; (ii) Interacțiunile dintre gradele de libertate ale materiei și câmpul gravitațional sunt reversibile; (iii) Gradele de libertate ale materiei reacţionează înapoi asupra câmpului gravitaţional. Susținem că acest lucru implică faptul că teoriile gravitației clasice și ale materiei cuantice trebuie să fie fundamental ireversibile, așa cum este cazul în modelul recent al lui Oppenheim și colab. În schimb, dacă solicităm ca interacțiunea dintre materia cuantică și câmpul gravitațional să fie reversibilă, atunci câmpul gravitațional trebuie să fie neclasic.

Rezumat popular

O întrebare centrală în fizica modernă este cum să unificăm teoria cuantică și relativitatea generală. Din punct de vedere istoric, au fost prezentate multe argumente care susțin că unificarea celor două teorii poate fi obținută numai prin cuantizarea câmpului gravitațional și, într-adevăr, majoritatea abordărilor către unificare încearcă să facă acest lucru. În această lucrare arătăm că argumentele existente pentru cuantificarea câmpului gravitațional fac presupuneri importante subiacente, cum ar fi reversibilitatea interacțiunilor și posibilitatea de a pregăti stări de suprapunere cuantică. Demonstrăm o teoremă, care nu depinde de nicio descriere teoretică a gravitației și materiei, arătând că orice cuplare consistentă între gravitația clasică și materia complet cuantică trebuie să fie ireversibilă. Acest lucru arată că numai cerințele de consistență nu dictează că gravitația trebuie cuantificată și, în plus, orice încercare de a unifica gravitația clasică și materia complet cuantică trebuie să prezinte în mod necesar interacțiuni ireversibile între materie și câmpul gravitațional.

► Date BibTeX

@article{Galley2023anyconsistent, doi = {10.22331/q-2023-10-16-1142}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-10-16-1142}, title = {Orice consistent cuplarea dintre gravitația clasică și materia cuantică este fundamental ireversibilă}, autor = {Galley, Thomas D. și Giacomini, Flaminia și Selby, John H.}, jurnal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editor = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volum = {7}, pagini = {1142}, lună = oct, an = {2023} }

► Referințe

[1] M Bahrami, A Bassi, S McMillen, M Paternostro și H Ulbricht. „Este gravitația cuantică?” (2015). arXiv:1507.05733.
arXiv: 1507.05733

[2] Charis Anastopoulos și Bei-Lok Hu. „Sondarea unei stări gravitaționale de pisică”. Clasă. Cant. Grav. 32, 165022 (2015).
https://doi.org/10.1088/0264-9381/32/16/165022

[3] Sougato Bose, Anupam Mazumdar, Gavin W Morley, Hendrik Ulbricht, Marko Toroš, Mauro Paternostro, Andrew A Geraci, Peter F Barker, MS Kim și Gerard Milburn. „Martor al încrucișării în rotație pentru gravitația cuantică”. Fiz. Rev. Lett. 119, 240401 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240401

[4] Chiara Marletto și Vlatko Vedral. „Încurcarea indusă gravitațional între două particule masive este o dovadă suficientă a efectelor cuantice asupra gravitației”. Fiz. Rev. Lett. 119, 240402 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.240402

[5] Chiara Marletto și Vlatko Vedral. „De ce trebuie să cuantificăm totul, inclusiv gravitația”. npj Quantum Information 3, 1–5 (2017).
https://doi.org/10.1038/s41534-017-0028-0

[6] Matteo Carlesso, Mauro Paternostro, Hendrik Ulbricht și Angelo Bassi. „Când Cavendish îl întâlnește pe Feynman: un echilibru cuantic de torsiune pentru testarea cuantumului gravitației” (2017). arXiv:1710.08695.
arXiv: 1710.08695

[7] Michael JW Hall și Marcel Reginatto. „Despre două propuneri recente de a asista la gravitația neclasică”. J. Fiz. A 51, 085303 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1751-8121 / aaa734

[8] Chiara Marletto și Vlatko Vedral. „Când poate gravitația să încurce două mase suprapuse spațial?”. Fiz. Rev. D 98, 046001 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.98.046001

[9] Alessio Belenchia, Robert M Wald, Flaminia Giacomini, Esteban Castro-Ruiz, Časlav Brukner și Markus Aspelmeyer. „Suprapunerea cuantică a obiectelor masive și cuantizarea gravitației”. Fiz. Rev. D 98, 126009 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.98.126009

[10] Alessio Belenchia, Robert M Wald, Flaminia Giacomini, Esteban Castro-Ruiz, Časlav Brukner și Markus Aspelmeyer. „Conținutul informațional al câmpului gravitațional al unei suprapoziții cuantice”. Int. J. Mod. Fiz. D 28, 1943001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271819430016

[11] Marios Christodoulou și Carlo Rovelli. „Despre posibilitatea unor dovezi de laborator pentru suprapunerea cuantică a geometriilor”. Fiz. Lett. B 792, 64–68 (2019).
https:///doi.org/10.1016/j.physletb.2019.03.015

[12] Charis Anastopoulos și Bei-Lok Hu. „Suprapunerea cuantică a două stări gravitaționale de pisică”. Clasă. Cant. Grav. 37, 235012 (2020).
https:///doi.org/10.1088/1361-6382/abbe6f

[13] Richard Howl, Vlatko Vedral, Devang Naik, Marios Christodoulou, Carlo Rovelli și Aditya Iyer. „Non-gaussianitatea ca semnătură a unei teorii cuantice a gravitației”. PRX Quantum 2, 010325 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010325

[14] Ryan J Marshman, Anupam Mazumdar și Sougato Bose. „Localitatea și încurcarea în testarea de masă a naturii cuantice a gravitației liniarizate”. Fiz. Rev. A 101, 052110 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.052110

[15] Hadrien Chevalier, AJ Paige și MS Kim. „Asistând la natura neclasică a gravitației în prezența interacțiunilor necunoscute”. Fiz. Rev. A 102, 022428 (2020). arXiv:2005.13922.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.102.022428
arXiv: 2005.13922

[16] Tanjung Krisnanda, Guo Yao Tham, Mauro Paternostro și Tomasz Paterek. „Încrucișarea cuantică observabilă din cauza gravitației”. npj Quantum Information 6, 1–6 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-020-0243-y

[17] Chiara Marletto și Vlatko Vedral. „Asistând la nonclasicitate dincolo de teoria cuantică”. Fiz. Rev. D 102, 086012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.102.086012

[18] Thomas D. Galley, Flaminia Giacomini și John H. Selby. „O teoremă interzisă asupra naturii câmpului gravitațional dincolo de teoria cuantică”. Quantum 6, 779 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-08-17-779

[19] Soham Pal, Priya Batra, Tanjung Krisnanda, Tomasz Paterek și TS Mahesh. „Localizarea experimentală a întanglementării cuantice prin mediator clasic monitorizat”. Quantum 5, 478 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-06-17-478

[20] Daniel Carney, Holger Müller și Jacob M. Taylor. „Folosirea unui interferometru atomic pentru a deduce generarea de încrucișări gravitaționale”. PRX Quantum 2, 030330 (2021). arXiv:2101.11629.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030330
arXiv: 2101.11629

[21] Kirill Streltsov, Julen Simon Pedernales și Martin Bodo Plenio. „Despre semnificația revigorărilor interferometrice pentru descrierea fundamentală a gravitației”. Universul 8 (2022).
https: / / doi.org/ 10.3390 / universe8020058

[22] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran și Robert M. Wald. „Încălcirea mediată gravitațional: câmpul newtonian versus gravitoni”. Fiz. Rev. D 105, 086001 (2022). arXiv:2112.10798.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.105.086001
arXiv: 2112.10798

[23] Adrian Kent și Damián Pitalúa-García. „Testarea neclasicității spațiu-timpului: ce putem învăța din experimentele Bell–Bose și colab.-Marletto-Vedral?”. Fiz. Rev. D 104, 126030 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.104.126030

[24] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Markus Aspelmeyer, Časlav Brukner, Carlo Rovelli și Richard Howl. „Încrucișarea mediată local în gravitația cuantică liniară”. Fiz. Rev. Lett. 130, 100202 (2023). arXiv:2202.03368.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.130.100202
arXiv: 2202.03368

[25] Nick Huggett, Niels Linnemann și Mike Schneider. „Gravația cuantică într-un laborator?” (2022). arXiv:2205.09013.
arXiv: 2205.09013

[26] Marios Christodoulou, Andrea Di Biagio, Richard Howl și Carlo Rovelli. „Entanglement gravitațional, sisteme de referință cuantice, grade de libertate” (2022). arXiv:2207.03138.
https:///doi.org/10.1088/1361-6382/acb0aa
arXiv: 2207.03138

[27] Daine L. Danielson, Gautam Satishchandran și Robert M. Wald. „Găurile negre Decohere suprapoziții cuantice” (2022). arXiv:2205.06279.
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0218271822410036
arXiv: 2205.06279

[28] Lin-Qing Chen, Flaminia Giacomini și Carlo Rovelli. „Stări cuantice ale câmpurilor pentru sursele divizate cuantice”. Quantum 7, 958 (2023). arXiv:2207.10592.
https://doi.org/10.22331/q-2023-03-20-958
arXiv: 2207.10592

[29] Eduardo Martín-Martínez și T. Rick Perche. „Ce încrucișare mediată de gravitație ne poate spune cu adevărat despre gravitația cuantică” (2022). arXiv:2208.09489.
arXiv: 2208.09489

[30] Chris Overstreet, Joseph Curti, Minjeong Kim, Peter Asenbaum, Mark A. Kasevich și Flaminia Giacomini. „Inferența suprapunerii câmpului gravitațional din măsurători cuantice” (2022). arXiv:2209.02214.
arXiv: 2209.02214

[31] Markus Aspelmeyer. „Când Zeh întâlnește Feynman: Cum să evitați apariția unei lumi clasice în experimentele gravitaționale”. Fundam. Theor. Fiz. 204, 85–95 (2022). arXiv:2203.05587.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-88781-0_5
arXiv: 2203.05587

[32] John S Bell. „Despre paradoxul lui Einstein Podolsky Rosen”. Physics Physique Fizika 1, 195 (1964).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[33] Lucien Hardy. „Teoria cuantică din cinci axiome rezonabile” (2001). arXiv:quant-ph/0101012.
arXiv: Quant-ph / 0101012

[34] Jonathan Barrett. „Prelucrarea informației în teoriile probabiliste generalizate”. Physical Review A 75, 032304 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.032304

[35] L. Diosi şi JJ Halliwell. „Cuplarea variabilelor clasice și cuantice folosind teoria măsurării cuantice continue”. Physical Review Letters 81, 2846–2849 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.2846

[36] J. Caro şi LL Salcedo. „Impedimente pentru amestecarea dinamicii clasice și cuantice”. Revista fizică A 60, 842–852 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.60.842

[37] Lajos Diósi, Nicolas Gisin și Walter T. Strunz. „Abordare cuantică a cuplării dinamicii clasice și cuantice”. Physical Review A 61, 022108 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.61.022108

[38] Daniel R. Terno. „Incoerența dinamicii cuantice-clasice și ceea ce implică aceasta”. Fundamentele fizicii 36, 102–111 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10701-005-9007-y

[39] Hans-Thomas Elze. „Dinamica liniară a hibrizilor cuantic-clasici”. Physical Review A 85, 052109 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052109

[40] Jonathan Oppenheim. „O teorie post-cuantică a gravitației clasice?” (2018). arXiv:1811.03116.
arXiv: 1811.03116

[41] Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Šoda și Zachary Weller-Davies. „Decoerența indusă gravitațional vs difuzia spațiu-timp: testarea naturii cuantice a gravitației” (2022). arXiv:2203.01982.
arXiv: 2203.01982

[42] Isaac Layton, Jonathan Oppenheim și Zachary Weller-Davies. „O dinamică semi-clasică mai sănătoasă” (2022). arXiv:2208.11722.
arXiv: 2208.11722

[43] Teiko Heinosaari, Leevi Leppäjärvi și Martin Plávala. „Principiul fără informații libere în teoriile probabilistice generale”. Quantum 3, 157 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-07-08-157

[44] Giulio Chiribella, Giacomo Mauro D`Ariano și Paolo Perinotti. „Teorii probabiliste cu purificare”. Physical Review A 81, 062348 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062348

[45] David Bohm. „O interpretare sugerată a teoriei cuantice în termeni de variabile „ascunse”. eu”. Revista fizică 85, 166 (1952).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.85.166

[46] Hugh Everett. „Teoria funcției de undă universală”. În Interpretarea pe mai multe lumi a mecanicii cuantice. Paginile 1–140. Princeton University Press (2015).
https: / / doi.org/ 10.1515 / 9781400868056

[47] Bogdan Mielnik. „Mobilitatea sistemelor neliniare”. Journal of Mathematical Physics 21, 44–54 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.524331

[48] M Reginatto și MJW Hall. „Interacțiuni și măsurători cuantico-clasice: o descriere consecventă folosind ansambluri statistice pe spațiul de configurare”. Journal of Physics: Conference Series 174, 012038 (2009).
https://doi.org/10.1088/1742-6596/174/1/012038

[49] Lucien Hardy. „Teoriile probabilității cu structură cauzală dinamică: un nou cadru pentru gravitația cuantică” (2005). arXiv:gr-qc/0509120.
arXiv: gr-qc / 0509120

[50] Giulio Chiribella, GM D'Ariano, Paolo Perinotti și Benoit Valiron. „Dincolo de computerele cuantice” (2009). arXiv:0912.0195.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.022318
arXiv: 0912.0195

[51] Ognyan Oreshkov, Fabio Costa și Časlav Brukner. „Corelații cuantice fără ordine cauzală”. Nature communications 3, 1092 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2076

[52] Eugene P Wigner. „Remarci la întrebarea minte-corp”. În Reflecţii şi sinteze filosofice. Paginile 247–260. Springer (1995).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-78374-6_20

[53] Daniela Frauchiger și Renato Renner. „Teoria cuantică nu poate descrie în mod consecvent utilizarea ei însăși”. Nature communications 9, 3711 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-05739-8

[54] Kok-Wei Bong, Aníbal Utreras-Alarcón, Farzad Ghafari, Yeong-Cherng Liang, Nora Tischler, Eric G. Cavalcanti, Geoff J. Pryde și Howard M. Wiseman. „O teoremă puternică de interzicere asupra paradoxului prietenului wignerului”. Nature Physics 16, 1199–1205 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41567-020-0990-x

[55] Eric G. Cavalcanti și Howard M. Wiseman. „Implicații ale încălcării prieteniei locale pentru cauzalitatea cuantică”. Entropia 23 (2021).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23080925

[56] David Schmid, Yìlè Yīng și Matthew Leifer. „O revizuire și o analiză a șase argumente extinse ale prietenilor lui wigner” (2023). arXiv:2308.16220.
arXiv: 2308.16220

[57] Yìlè Yīng, Marina Maciel Ansanelli, Andrea Di Biagio, Elie Wolfe și Eric Gama Cavalcanti. „Relaționarea scenariilor prietenoase ale wignerului cu compatibilitatea cauzală neclasică, relațiile de monogamie și reglarea fină” (2023). arXiv:2309.12987.
arXiv: 2309.12987

[58] GM D'Ariano, Franco Manessi și Paolo Perinotti. „Determinism fără cauzalitate”. Physica Scripta 2014, 014013 (2014).
https://doi.org/10.1088/0031-8949/2014/T163/014013

[59] John H Selby, Maria E Stasinou, Stefano Gogioso și Bob Coecke. „Simetria timpului în teoriile cuantice și nu numai” (2022). arXiv:2209.07867.
arXiv: 2209.07867

[60] Matt Wilson, Giulio Chiribella și Aleks Kissinger. „Superhărțile cuantice sunt caracterizate de localitate” (2022). arXiv:2205.09844.
arXiv: 2205.09844

[61] Venkatesh Vilasini, Nuriya Nurgalieva și Lídia del Rio. „Paradoxuri multi-agenți dincolo de teoria cuantică”. New Journal of Physics 21, 113028 (2019).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4fc4

[62] Nick Ormrod, V Vilasini și Jonathan Barrett. „Care teorii au o problemă de măsurare?” (2023). arXiv:2303.03353.
arXiv: 2303.03353

[63] Jonathan Barrett, Lucien Hardy și Adrian Kent. „Fără semnalizare și distribuție a cheilor cuantice”. Physical Review Letters 95, 010503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.010503

[64] Peter Janotta și Haye Hinrichsen. „Teorii generalizate ale probabilității: ce determină structura teoriei cuantice?”. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 47, 323001 (2014).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/47/32/323001

[65] Martin Plávala. „Teorii probabilistice generale: o introducere” (2021). arXiv:2103.07469.
arXiv: 2103.07469

[66] Giacomo Mauro D'Ariano, Paolo Perinotti și Alessandro Tosini. „Informații și perturbări în teoriile probabilistice operaționale” (2019). arXiv:1907.07043.
https://doi.org/10.22331/q-2020-11-16-363
arXiv: 1907.07043

[67] Stephen D. Bartlett, Terry Rudolph și Robert W. Spekkens. „Cadre de referință, reguli de supraselectare și informații cuantice”. Rev. Mod. Fiz. 79, 555–609 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.555

[68] Mohammad Bahrami, André Großardt, Sandro Donadi și Angelo Bassi. „Ecuația Schrödinger-Newton și fundamentele ei”. New Journal of Physics 16, 115007 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/115007

[69] Heinz-Peter Breuer şi F. Petruccione. „Teoria sistemelor cuantice deschise”. Presa Universitatii Oxford. Oxford; New York (2002).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: OSO / 9780199213900.001.0001

[70] EG Beltrametti și S Bugajski. „O extensie clasică a mecanicii cuantice”. Journal of Physics A: Mathematical and General 28, 3329–3343 (1995).
https://doi.org/10.1088/0305-4470/28/12/007

[71] Daniel Carney și Jacob M. Taylor. „Gravația puternic incoerentă” (2023). arXiv:2301.08378.
arXiv: 2301.08378

[72] Bogdan Mielnik. „Mecanica cuantică generalizată”. Comm. Matematică. Fiz. 37, 221–256 (1974).
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01646346

[73] Asher Peres și Daniel Terno. „Dinamica hibridă clasică-cuantică”. Physical Review A 63, 022101 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.022101

[74] John Selby și Bob Coecke. „Scurgeri: cuantice, clasice, intermediare și multe altele”. Entropia 19, 174 (2017).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e19040174

[75] John H. Selby, Carlo Maria Scandolo și Bob Coecke. „Reconstruirea teoriei cuantice din postulate diagramatice”. Quantum 5, 445 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-04-28-445

[76] Bob Coecke, John Selby și Sean Tull. „Două drumuri către clasicitate” (2017). arXiv:1701.07400.
arXiv: 1701.07400

Citat de

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.