Ученые предложили новую теорию, которая объединяет две самые большие и самые противоречивые концепции в физике: общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию. По словам одного ученого, принимавшего участие в работе, эта теория «бросает вызов нашему пониманию фундаментальной природы гравитации».
Теоретик Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона (UCL) опубликовал свое предложение в понедельник в журнале Physical Review X. Он и его коллеги — Карло Спарачари и Закари Веллер-Дэвис из Калифорнийского университета в колледже и Барбара Шода из Института теоретической физики «Периметр» в Канаде — также опубликовали в журнале Nature Communications еще одну статью , в которой описывается эксперимент по проверке новой теории.
Общая теория относительности — лучшее объяснение гравитации, которое мы имеем в настоящее время. В нем говорится, что масса искажает пространство-время и что частицы движутся в зависимости от этого искажения, подобно шарикам, катящимся по колодцу, вызванному шаром для боулинга, положенным на матрас. Квантовая теория, с другой стороны, управляет поведением мельчайших частиц. Он объясняет силы, отличные от гравитации, такие как электромагнитная сила, как обмен частицами (представьте себе, что люди бросают тяжелый мяч вперед и назад).
Но эти столпы физики объясняют Вселенную на совершенно разных уровнях масштаба, достоверности и вероятности. В то время как общая теория относительности объясняет то, что происходит в массовом масштабе, поскольку события происходят с уверенностью и непрерывно во времени, квантовая теория вместо этого объясняет атомный уровень, где события имеют некоторую вероятность произойти и могут происходить резкими скачками. В этом и заключается проблема: ни одна теория не может объяснить одновременно то, что происходит на атомном уровне и на уровне космоса, а квантовая теория изо всех сил пытается объяснить гравитацию как силу.
Основной способ, которым физики пытались обойти эту проблему, — превратить общую теорию относительности в квантовое объяснение, также известное как «квантование»; другими словами, разбивая нечто непрерывное, например время, на все более мелкие куски. Именно это пытаются сделать теория струн и петлевая квантовая гравитация . Например, теория струн утверждает, что Вселенная состоит из множества струн или петель, которые колеблются и вибрируют на разных частотах, соответствующих различным частицам. Это похоже на то, как разные струны на гитаре вибрируют, воспроизводя разные ноты.
«Важно понять, как разрешается это противоречие», — сказал Оппенгейм в заявлении для прессы . «Следует ли квантовать пространство-время, или нам следует модифицировать квантовую теорию, или это нечто совершенно иное?»
Открытие новой теории, объединяющей эти идеи, «бросает вызов нашему пониманию фундаментальной природы гравитации, но также открывает возможности для исследования ее потенциальной квантовой природы», — сказал Веллер-Дэвис.
В своей последней статье Оппенгейм объединяет два основных принципа, предполагая, что пространство-время является классическим (вообще не подчиняющимся квантовой теории), и объединяет его с модифицированной квантовой теорией. Согласно этому рассуждению, пространство-время, даже на самом маленьком уровне, непрерывно и не разбито на маленькие скачки. В то же время пространство-время будет иметь случайные колебания, подобно тому, как квантовые поля могут проявлять случайность. Хотя это означает, что во Вселенной будет некоторая непредсказуемость, жизненно важно, чтобы эти два принципа работали вместе.
«В этой теории конфликт между классической природой гравитации и пространства-времени и квантовой природой материи, которая «живёт» в пространстве-времени, разрешается путём обнаружения того, что пространство-время, хотя и классическое, демонстрирует некоторую случайность в своём поведении», — Шода, постдокторант-исследователь в Институте Периметра, сказал в электронном письме Motherboard. «Случайность поведения пространства-времени необходима для того, чтобы взаимодействие с квантовыми полями было последовательным».
Один из вариантов реализации этой теории заключается в том, что объекты будут весить немного по-разному в зависимости от того, когда вы их взвешиваете. Поскольку вес — это сила гравитации, действующая на объект (в отличие от массы, которая показывает, сколько «вещей» содержится в чем-то), эти измерения могут показать, что пространство-время имеет некоторую хаотичность. Но это сработало бы только в том случае, если бы существовал способ достаточно точно измерить этот вес.
Во второй статье, соавтором которой является Шода, описывается эксперимент по проверке теории, который, по сути, и делает это. Исследователи могли бы, например, сверхточно взвесить бывший международный прототип килограмма и посмотреть, меняется ли его вес столь же незаметно от момента к моменту.
Не всех этот подход убедил: в частности, физиков Карло Ровелли из Центра физико-теоретического освещения во Франции и Джеффа Пенингтона из Калифорнийского университета в Беркли. «Предположения приветствуются, особенно если их можно проверить экспериментально. Но большинство предположений оказываются ошибочными», — сказал Ровелли The Guardian . Он дерзко добавил: «Я думаю, это хорошо, что Оппенгейм исследует эту возможность, даже если она не очень правдоподобна, но громкие заявления о том, что «новая теория объединяет гравитацию Эйнштейна с квантовой механикой», кажутся мне немного преувеличенными».
Стоит сказать, что у Ровелли и Пенингтона есть некоторая выгода в игре в виде ставки 5000:1 на Оппенгейма. Если пространство-время окажется классическим, Ровелли и Пенингтону придется раздать 5000 чипсов, шариков или других предметов по выбору Оппенгейма.
Сугато Бозе, профессор физики UCL, который не участвовал в написании этих последних работ, надеется, что эта теория и будущие эксперименты положат конец битве за превосходство в теории, позволяющей понять Вселенную. «Эксперименты по проверке природы пространства-времени потребуют масштабных усилий, но они имеют огромное значение с точки зрения понимания фундаментальных законов природы», — сказал он в заявлении для прессы . «Я верю, что эти эксперименты вполне достижимы — такие вещи трудно предсказать, но, возможно, мы узнаем ответ в течение следующих 20 лет».
Шода, чьи расчеты помогли реализовать проект, согласен. «Я думаю, что в каждом новом эксперименте есть смысл. У наших коллег-экспериментаторов есть изобретательные способы проверить наши теории, и я уверен, что этот способ даст нам несколько интересных ответов».
Но задерживать дыхание, скорее всего, не стоит. Отчеты намекали на победителя уже почти десять лет, но такой удачи не было. «Примирение квантовой теории с гравитацией — одна из величайших задач физики. До сих пор мы безнадежно терпели неудачу», — заявил ранее Оппенгейм .
Heart
Haha
Love
Wow
Yay
Sad
Poop
Angry