Единая теория Все является Святым Граалем физики, но гравитация отказывается играть в мяч. Теперь недавно предложенная теория пытается объединить теорию гравитации Эйнштейна с квантовой механикой – и, что немаловажно, намечает способ проверить ее экспериментально.
За последнее столетие или около того квантовая физика проделала отличную работу по описанию микромира частиц и атомов. Оно охватывает три из четырех фундаментальных сил Вселенной – электромагнетизм, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия. Но, несмотря на то, что над этой проблемой трудятся одни из самых ярких умов всех времен, учёные просто не могут объяснить четвёртый столп: гравитацию.
До сих пор наиболее точной моделью, описывающей гравитацию, по-прежнему остается общая теория относительности Эйнштейна. В нем говорится, что гравитация, которую мы чувствуем и наблюдаем, является своего рода побочным эффектом ткани пространства-времени и масс, которые на ней покоятся. Представьте себе это как батутный мат с сидящим на нем шаром для боулинга – вес мяча создает провал в мате. Во Вселенной «коврик» — это пространство-время, а «шар для боулинга» — массивный объект, подобный звезде. Если затем вы положите на коврик меньший мяч, он покатится по склону к большему, подобно тому, как мы испытываем гравитацию. Или, если вы катите теннисный мяч с достаточной скоростью, он будет вращаться по этому склону, подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца.
Эта диаграмма иллюстрирует пространство-время как «мат», показывая, как массы объектов заставляют его изгибаться в «провалы» — чем больше масса, тем глубже провал ESA – C.Carreau
Эта теория гравитации пережила практически все испытания, проведенные учеными. брошенных на него за последние 100 лет. Фактически, новые открытия продолжают подтверждать его предсказания, например, обнаружение гравитационных волн в 2015 году.
Проблема в том, что эта история плохо сочетается с тремя другими фундаментальными силами. Каждый из них можно довольно точно описать с помощью квантовой механики, при этом взаимодействия опосредуются конкретными частицами-носителями силы. Например, фотоны являются частицами-переносчиками электромагнитной силы. Таким образом, ученые возились с теориями «квантовой гравитации» и искали ее гипотетическую частицу-носитель, получившую название «гравитон», но все эксперименты пока остались безуспешными.
Само пространство-время также необходимо будет «квантовать» или разбить на составные части. Именно это пытается сделать пресловутая теория струн, а также петлевая квантовая гравитация, которая в настоящее время считается лидером. Но опять же, ни одно из этих понятий, похоже, не соответствует так хорошо, как теория Эйнштейна.
Новое исследование придерживается противоположной точки зрения: профессор Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона (UCL) предполагает, что пространство-время следует классической физике после все, а вместо этого надо модифицировать квантовую теорию. Он называет это «постквантовой теорией классической гравитации».
По сути, Оппенгейм объединяет классические и квантовые системы таким образом, чтобы сохранить каждую систему. Так, например, классическая система по-прежнему предотвращает передачу сигналов со скоростью, превышающей скорость света, в то время как принцип неопределенности остается ненарушенным в квантовой системе. Эйнштейн любил, чтобы все было детерминировано – то есть, если у вас было достаточно информации о системе, вы могли взять ее текущее состояние и определить любое конкретное состояние в ее прошлом или будущем. Гибридная теория Оппенгейма так не работает — вместо этого вы можете лишь определить вероятность возникновения определенного состояния в будущем.
Теория действительно предсказывает некоторые интригующие вещи, которые могут вызвать недовольство многих физиков. Например, обнаружено, что черные дыры могут уничтожать квантовую информацию – что, согласно квантовой теории, считается невозможным, и этого может быть достаточно для того, чтобы некоторые полностью отвергли всю теорию.
Художественное впечатление от эксперимента по поиску флуктуаций в пространстве-времени путем точного взвешивания массы Исаак Янг
Но важно то, что есть способы проверить эту постквантовую теорию классической гравитации. Если пространство-время является классическим, оно должно подвергаться случайным флуктуациям, которые, в свою очередь, могут незначительно изменять массу объектов с течением времени. Один из экспериментов, которые предлагает команда, заключается в том, что очень точное измерение объекта (например, международного прототипа килограмма) может выявить, является ли пространство-время классическим или квантовым.
«И в квантовой гравитации, и в классической гравитации пространство-время должно быть претерпевает резкие и случайные колебания повсюду вокруг нас, но в масштабах, которые мы еще не смогли обнаружить», — сказал Зак Веллер-Дэвис, соавтор исследования. «Но если пространство-время является классическим, флуктуации должны превышать определенный масштаб, и этот масштаб можно определить с помощью другого эксперимента, в котором мы проверим, как долго мы сможем поместить тяжелый атом в суперпозицию, находясь в двух разных местах».
Вполне вероятно, что новая теория не получит широкого признания сразу, если вообще когда-либо, но она, по крайней мере, предлагает новый интригующий способ мышления о гравитации и пространстве-времени. Эти эксперименты могут быстро исключить его, отправив на гигантское кладбище причудливых научных идей, засоряющих историю, или же оно может оказаться столь же фундаментальным, как теории Эйнштейна.
Исследование было опубликовано в двух статьях. , один из которых появляется в Physical Review X, а другой в Nature Communications.
