Единая теория всего — это Святой Грааль физики, но гравитация отказывается быть ее частью. Теперь недавно предложенная теория пытается объединить теорию гравитации Эйнштейна с квантовой механикой и, что более важно, намечает способ проверить ее экспериментально.
За последнее столетие или около того квантовая физика проделала замечательную работу по описанию микроскопического мира частиц и атомов. Оно охватывает три из четырех фундаментальных сил Вселенной — электромагнитное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Но несмотря на то, что некоторые из самых ярких умов работают над этим, учёные просто не могут представить четвёртый столп: гравитацию.
На сегодняшний день наиболее точной моделью описания гравитации является общая теория относительности Эйнштейна. Теория утверждает, что гравитационная сила, которую мы чувствуем и наблюдаем, является побочным эффектом структуры пространства-времени и покоящейся на нем массы. Думайте об этом как о батутном мате, на котором лежит шар для боулинга: вес мяча создает углубление в мате. Во Вселенной «мат» — это пространство-время, а «шар для боулинга» — массивные небесные тела, такие как звезды. Если вы положите меньший мяч на коврик, он будет катиться по углублениям к большему шару, подобно тому, как мы испытываем гравитацию. Или, если вы катите теннисный мяч достаточно быстро, он будет катиться вокруг этого углубления аналогично тому, как Земля вращается вокруг Солнца.
За последние 100 лет эта теория гравитации выдержала практически все испытания, которым подвергались ученые. Фактически, новые открытия продолжают подтверждать ее предсказания, например, обнаружение гравитационных волн в 2015 году.
Проблема в том, что эта история не согласуется с тремя другими фундаментальными силами. Каждую из фундаментальных сил можно довольно кратко описать с помощью квантовой механики, при этом взаимодействия опосредуются конкретными частицами, несущими силу. Например, фотоны являются частицами-переносчиками электромагнитной силы. Поэтому ученые изучали теорию «квантовой гравитации» и искали ее постулируемые частицы-носители (так называемые «гравитоны»), но пока все эксперименты ничего не нашли.
Само пространство-время также необходимо «квантовать» или разбить на составные части. Это именно то, что делает пресловутая теория струн, а также петлевая квантовая гравитация, которая в настоящее время считается фаворитом. Но опять же, ни одна из концепций не подходит так хорошо, как теория Эйнштейна.
Профессор Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона (UCL) в новом исследовании придерживается противоположной точки зрения: он предполагает, что пространство-время, в конце концов, следует классической физике, и именно квантовая теория нуждается в модификации. Он называет это «постквантовой теорией классической гравитации».
По сути, Оппенгейм объединил классические и квантовые системы, сохраняя каждую систему. Так, например, классические системы все еще защищены от передачи сигналов со скоростью, превышающей скорость света, а в квантовых системах принцип неопределенности все еще не нарушается. Эйнштейн любил, чтобы все было детерминировано — то есть, если у вас достаточно информации о системе, вы можете использовать ее текущее состояние, чтобы вывести любое конкретное состояние в ее прошлом или будущем. В гибридной теории Оппенгейма дело обстоит иначе: вместо этого вы можете только вычислить вероятность того, что определенное состояние произойдет в будущем.
Теория действительно предсказывает некоторые интересные вещи, которые могут оскорбить многих физиков. Например, было обнаружено, что черные дыры могут уничтожать квантовую информацию – что в квантовой теории считается невозможным, и этого может быть достаточно для того, чтобы некоторые полностью отвергли всю теорию.
Но что немаловажно, у нас есть способы проверить эту постквантовую теорию классической гравитации. Если бы пространство-время было классическим, то оно колебалось бы случайным образом, вызывая незначительное изменение массы объектов с течением времени. Команда предлагает провести эксперимент, в ходе которого очень точные измерения объекта, такого как международный прототип килограмма, могли бы выявить, является ли пространство-время классическим или квантовым.
Зак Веллер-Дэвис, соавтор исследования, сказал: «Как в квантовой, так и в классической гравитации пространство-время должно дико и беспорядочно колебаться вокруг нас, но флуктуации находятся в масштабе, который мы пока не можем обнаружить. Но если пространство-время является классическим, то флуктуации должны превышать определенный масштаб, и этот масштаб можно определить с помощью другого эксперимента. В этом эксперименте мы можем проверить, как долго мы можем позволять тяжелым атомам совмещаться в двух разных местах».
Новая теория, скорее всего, не получит широкого признания сразу, если вообще получит, но она, по крайней мере, предлагает новый интересный способ мышления о гравитации и пространстве-времени. Эти эксперименты могут вскоре исключить ее, добавив к обширному историческому кладбищу странных научных идей, или они могут доказать, что она столь же фундаментальна, как и теория Эйнштейна.
Исследование было опубликовано в двух статьях: одна в Physical Review X, а другая в Nature Communications.