Forening af kvantemekanik og relativitetsteori

Hej Spørg om Fysik
Subject: Foreningen af kvantemekanikken og relativitetsteorien.

Det har slået mig at der tilsyneladende er en stor forskel i opfattelsen af gravitationen i kvantemekanikken hhv. relativitetsteorien.

Ifølge den almene relativitetsteori er (som jeg læser det) gravitationen en krumning af rum-tiden, og må derfor være en "virtuel kraft", mens den i kvantemekanikken (igen som jeg opfatter det) ses som en grundlæggende naturkraft.

Hvordan hænger disse to, tilsyneladende forskellige, opfattelser sammen?

Med venlig hilsen
C H

Den endelige sandhed om gravitation og kvantemekanik er ukendt. Det skyldes først og fremmest, at tyngdekraften er en endog meget svag kraft.

I et brintatom er der en elektrisk kraft, der holder elektronen og protonen sammen, men da de to partikler også begge har masse, vil de trække i hinanden pga af tyngdekraften.

Forholdet mellem de to kræfter - elektrisk og tyngde - er i dette tilfælde ca. 10⁴⁰ ! Dvs. gravitationen er over en milliard milliard milliard millard gange svagere en den elektriske kraft i dette tilfælde. Det kræver som regel en hel planet (i vores tilfælde jorden) med en masse svarende til 10⁵⁰ protoner før tyngdekræfter spiller en rolle. Det er korrekt, at i Einsteins almene relativitetsteori kan gravitationen opfattes som krumning af rum-tiden - eller værende ækvivalent til hvad en accelereret observatør måtte opleve. Dvs. at gravitationen er en fiktiv kraft (spørgerens "virtuel kraft").

Det er sådan set ikke noget problem for kvantemekanikken

Partikler, der er beskrevet kvantemekanisk, er også udsat for fiktive kræfter, som vil påvirke deres bevægelse. For blot 6 år siden var man i stand til at detektere en meget svag påvirkning af jordens tyngdefelt på den kvantemekaniske opførsel af en neutron. I dette forsøg var der fin overensstemmelse mellem kvanteteori (inkl. tyngdekraft) og det observerede.

Det virkelige problem opstår når man forsøger at give en kvantemekanisk beskrivelse af selve tyngdefeltet, og ikke blot kvantebeskrivelse af partikler, der bevæger sig i tyngdefeltet. Hvis vi igen sammenligner med de elektromagnetiske kræfter, så lykkedes det for 60 år siden at lave en egentlig kvanteteori for både det elektromagnetiske felt og de ladninger, der bevæger sig heri. Teorien kaldes KvanteElektroDynamik, og er den fysiske teori, hvor sammenfaldet mellem teori og eksperimentelle observationer er størst. Teorien forudsiger fx at elektronen er en magnet, og styrken af denne magnet kan både beregnes og måles - og sammenligningen mellem teori og eksperiment passer med mere end 10 betydende cifre!

Når det drejer sig om at give en kvantebeskrivelse af tyngden er situationen lige omvendt: Vi har ingen teori og ingen målinger! Det eneste vi ved er, at simple teorier er matematisk meningsløse, og teorier der har en chance for at give matematisk mening (fx streng-teorier) giver resultater, der i praksis har vist sig umulige at måle. 

Med venlig hilsen
Per Hedegård, professor