Новая теория стремится объединить гравитацию Эйнштейна с квантовой механикой

Единая Теория Всего — это Святой Грааль физики, но гравитация упорно отказывается к ней присоединиться. Недавно предложенная идея пытается объединить теорию гравитации Эйнштейна с квантовой механикой – и, что немаловажно, намечает способ проверить ее экспериментально.

За последнее столетие квантовая физика проделала большую работу по описанию микромира частиц и атомов. Она охватывает три из четырех фундаментальных сил Вселенной – электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерные взаимодействия. Но, несмотря на то, что над проблемой работают одни из самых ярких умов всех времен, ученые просто не могут ввести в действие четвертый столп: гравитацию.

До сих пор наиболее точной моделью, описывающей гравитацию, по-прежнему остается общая теория относительности Эйнштейна. В ней 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 находящимся 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 мяч с достаточной скоростью, он будет вращаться по этому склону, подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца.

Эта теория гравитации выдержала практически все испытания, которые ученые проводили за последние 100 лет. Фактически, новые открытия продолжают подтверждать ее предсказания, например, обнаружение гравитационных волн в 2015 году.

Проблема в том, как она сочетается с тремя другими фундаментальными силами. Каждую 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 работали с теориями «квантовой гравитации» и искали ее гипотетическую частицу-носитель, получившую название «гравитон», но все эксперименты до сих пор оставались 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 одна из этих теорий не подходит так хорошо, как теория Эйнштейна.

Новое исследование придерживается противоположной точки зрения: ученые из Университетского колледжа Лондона (UCL) предполагают, что пространство-время в конце концов следует классической физике, а вместо этого необходимо изменить квантовую теорию. Они называет это «постквантовой теорией классической гравитации».

По сути, они объединяют 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 есть достаточно информации о системе, вы могли взять ее текущее состояние и определить любое конкретное состояние в ее прошлом или будущем. Гибридная теория так не работает – вместо этого вы можете лишь вычислить вероятность возникновения определенного состояния в будущем.

Теория действительно предсказывает некоторые интригующие вещи, которые могут вызвать недовольство многих физиков. Например, было обнаружено, что черные дыры могут уничтожить квантовую информацию – то, что согласно квантовой теории считается невозможным, и этого может быть достаточно для некоторых, чтобы полностью отвергнуть всю теорию.

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 эксперимент, который предлагает команда, заключается в том, что очень точное измерение объекта – такого как международный прототип килограмма – может показать, является ли пространство-время классическим или квантовым.

«И в квантовой, и в классической гравитации пространство-время должно претерпевать сильные и случайные колебания вокруг нас, но в масштабах, которые мы еще не смогли обнаружить», — сказал Зак Веллер-Дэвис, соавтор исследования. «Но если пространство-время классическое, флуктуации должны быть больше определенного масштаба, и этот масштаб может быть определен с помощью другого эксперимента, в котором мы проверяем, как долго атомы могут находиться в суперпозиции, находясь в двух разных местах».

Вполне вероятно, что новая теория не получит широкого признания сразу, если вообще когда-либо получит, но она, по крайней мере, предлагает интригующий новый способ мышления о гравитации и пространстве-времени. Эти эксперименты могут быстро исключить ее, отправив на гигантское кладбище причудливых научных идей, или же они могут оказаться столь же фундаментальными, как теории Эйнштейна.

Исследование было опубликовано в двух статьях: одна в Physical Review X, а другая в Nature Communications.