Ученые проверяют квантовую природу гравитации

Общая теория относительности Эйнштейна объясняет, что гравитация вызвана искривлением пространства. Самым известным проявлением этого является гравитация Земли, которая удерживает нас на земле и объясняет, почему мячи падают на пол, а люди имеют вес, когда встают на весы.

С другой стороны, в области физики высоких энергий ученые изучают крошечные невидимые объекты, которые подчиняются законам квантовой механики и характеризуются случайными флуктуациями, которые создают неопределенность в положениях и энергиях таких частиц, как электроны, протоны и нейтроны. Понимание случайности квантовой механики необходимо для объяснения поведения материи и света на субатомном уровне.

На протяжении десятилетий ученые пытались объединить эти две области исследований, чтобы получить квантовое описание гравитации. Это позволило бы объединить физику, связанную с общей теорией относительности, с загадочными случайными флуктуациями, связанными с квантовой механикой.

Новое исследование, проведенное физиками из Техасского университета в Арлингтоне, сообщает о поиске границы между этими двумя теориями с использованием нейтринных частиц сверхвысокой энергии, обнаруженных детектором частиц, установленным глубоко в антарктическом леднике на южном полюсе.

«Проблема объединения квантовой механики с теорией гравитации остается одной из самых актуальных нерешенных проблем в физике», — сказал соавтор работы Бенджамин Джонс, доцент кафедры физики. «Если гравитационное поле ведет себя так же, как и другие поля в природе, его кривизна должна демонстрировать случайные квантовые флуктуации».

Чтобы найти признаки квантовой гравитации, команда ученых разместила тысячи датчиков на одном квадратном километре вблизи южного полюса в Антарктиде, которые отслеживают нейтрино, необычные, но многочисленные субатомные частицы, нейтральные по заряду и не имеющие массы.

Команде удалось изучить более 300 000 нейтрино. Они хотели выяснить, не влияют ли на эти частицы сверхвысокой энергии случайные квантовые флуктуации в пространстве-времени, которые можно было бы ожидать, если бы гравитация была квантово-механической, поскольку они путешествуют на большие расстояния.

«Мы искали эти колебания, изучая ароматы нейтрино, обнаруженные обсерваторией IceCube», — говорят ученые. «Наша работа привела к измерению, которое было гораздо более чувствительным, чем предыдущие (более чем в миллион раз больше для некоторых моделей), но оно не обнаружило доказательств ожидаемых квантовых гравитационных эффектов».

При этом отсутствие одного возможного объяснения квантовой гравитации может привести к работе над другими. Бенджамин Джонс видит эту перспективу, описывая, как усилия его лаборатории смещаются в сторону изучения массы самих нейтрино.

«Этот анализ представляет собой последнюю главу почти десятилетнего вклада UTA в обсерваторию IceCube», — сказал Бенджамин Джонс. «Моя группа сейчас проводит новые эксперименты, целью которых является понять происхождение и значение массы нейтрино, используя методы атомной, молекулярной и оптической физики».

Более глубокое понимание этих неуловимых частиц, безусловно, не повредит усилиям по пониманию общей физической модели Вселенной. Тем не менее, многие ученые, вероятно, разочарованы этой последней неудачей в поиске потенциального решения «теории всего».