Новая теория объединяет гравитацию Эйнштейна с квантовой механикой

Радикальная теория, которая последовательно объединяет гравитацию и квантовую механику, сохраняя классическую концепцию Эйнштейна о пространстве-времени, была обнародована в двух работах, опубликованных одновременно физиками из UCL (Университетский колледж Лондона).

Современная физика зиждется на двух столпах: квантовой теории, которая управляет мельчайшими частицами во Вселенной, и общей теории относительности Эйнштейна, которая объясняет гравитацию через искривление пространства-времени. Однако эти две теории противоречат друг другу, и их примирение остается неуловимым уже более века.

Преобладало предположение, что теория гравитации Эйнштейна должна быть изменена или "квантована", чтобы вписаться в квантовую теорию. Таков подход двух ведущих кандидатов на создание квантовой теории гравитации - теории струн и петлевой квантовой гравитации.

Но новая теория, разработанная профессором Джонатаном Оппенгеймом (UCL Physics & Astronomy) и изложенная в статье в Physical Review X, бросает вызов этому консенсусу и использует альтернативный подход, предполагая, что пространство-время может быть классическим, то есть не подчиняться квантовым законам. теория вообще. Вместо того, чтобы модифицировать пространство-время, теория, получившая название «постквантовой теории классической гравитации», модифицирует квантовую теорию и предсказывает внутреннее нарушение предсказуемости, опосредованное самим пространством-временем. Это приводит к случайным и сильным флуктуациям пространства-времени, которые превышают предусмотренные квантовой теорией, что делает видимый вес объектов непредсказуемым, если его измерить достаточно точно. Вторая статья, опубликованная одновременно в журнале Nature Communications под руководством бывшего доктора философии профессора Оппенгейма. студентов, рассматривает некоторые следствия теории и предлагает эксперимент для ее проверки: очень точно измерить массу, чтобы увидеть, колеблется ли ее вес с течением времени.

Например, Международное бюро мер и весов во Франции обычно взвешивает груз массой 1 кг, который раньше был стандартом в 1 кг. Если колебания в измерениях массы в 1 кг меньше, чем требуется для математической последовательности, теорию можно исключить. Результат эксперимента или другие доказательства, подтверждающие квантовую и классическую природу пространства-времени, являются предметом пари с коэффициентом 5000:1 между профессором Оппенгеймом, профессором Карло Ровелли и доктором Джеффом Пенингтоном — ведущими сторонниками квантовой петли. гравитация и теория струн соответственно. В течение последних пяти лет исследовательская группа UCL проводила стресс-тестирование теории и изучала ее последствия. Профессор Оппенгейм сказал: «Квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна математически несовместимы друг с другом, поэтому важно понять, как разрешается это противоречие. Должно ли пространство-время быть квантовано, или нам следует модифицировать квантовую теорию, или это что-то совершенно другое? Теперь, когда у нас есть последовательная фундаментальная теория, в которой пространство-время не квантовано, об этом можно только догадываться».

Соавтор Зак Веллер-Дэвис, доктор философии. Студент UCL помог разработать экспериментальное предложение и внес ключевой вклад в саму теорию, сказал: «Это открытие бросает вызов нашему пониманию фундаментальной природы гравитации, но также открывает возможности для исследования ее потенциальной квантовой природы». «Мы показали, что если пространство-время не имеет квантовой природы, то должны существовать случайные флуктуации кривизны пространства-времени, имеющие особую характеристику, которую можно проверить экспериментально. «И в квантовой гравитации, и в классической гравитации пространство-время должно претерпевать сильные и случайные флуктуации вокруг нас, но в масштабе, который мы еще не смогли обнаружить. Но если пространство-время является классическим, флуктуации должны быть больше, чем определенном масштабе, и этот масштаб может быть определен с помощью другого эксперимента, в котором мы проверим, как долго мы сможем помещать тяжелый атом в суперпозицию, находясь в двух разных местах».

Соавторы доктор Карло Спарачари и доктор Барбара Шода, чьи аналитические и численные расчеты помогли в реализации проекта, выразили надежду, что эти эксперименты смогут определить, является ли создание квантовой теории гравитации правильным подходом. Доктор Шода (ранее работавший в UCL Physics & Astronomy, сейчас в Институте теоретической физики «Периметр», Канада) сказал: «Поскольку гравитация проявляется через искривление пространства и времени, мы можем думать о вопросе с точки зрения того, является ли скорость течение времени имеет квантовую природу, или классическую природу. «И проверить это почти так же просто, как проверить, является ли вес массы постоянным или колеблется определенным образом». Доктор Спарачиари (UCL Physics & Astronomy) сказал: «Хотя экспериментальная концепция проста, взвешивание объекта должно выполняться с предельной точностью. «Но что мне кажется интересным, так это то, что, исходя из очень общих предположений, мы можем доказать четкую взаимосвязь между двумя измеримыми величинами — масштабом флуктуаций пространства-времени и тем, как долго такие объекты, как атомы или яблоки, могут находиться в квантовой суперпозиции двух разных мест. Затем мы сможем определить эти две величины экспериментально».

Веллер-Дэвис добавил: «Если квантовые частицы, такие как атомы, способны искривлять классическое пространство-время, должно существовать тонкое взаимодействие. Должен быть фундаментальный компромисс между волновой природой атомов и тем, насколько велики должны быть случайные флуктуации в пространстве-времени." Предложение проверить, является ли пространство-время классическим, путем поиска случайных флуктуаций массы, дополняет другое экспериментальное предложение, целью которого является проверка квантовой природы пространства-времени путем поиска так называемой «гравитационно-опосредованной запутанности». Профессор Сугато Бозе (UCL по физике и астрономии), который не участвовал в сегодняшнем объявлении, но был среди тех, кто первым предложил эксперимент по запутанности, сказал: «Эксперименты по проверке природы пространства-времени потребуют крупномасштабных усилий, но они имеют огромное значение с точки зрения понимания фундаментальных законов природы. Я считаю, что эти эксперименты вполне достижимы — эти вещи трудно предсказать, но, возможно, мы узнаем ответ в течение следующих 20 лет».

Постквантовая теория имеет последствия, выходящие за рамки гравитации. Печально известный и проблематичный «постулат измерения» квантовой теории не нужен, поскольку квантовые суперпозиции обязательно локализуются посредством взаимодействия с классическим пространством-временем. Теория была мотивирована попыткой профессора Оппенгейма решить информационную проблему черной дыры. Согласно стандартной квантовой теории, объект, попадающий в черную дыру, должен каким-то образом излучаться обратно, поскольку информация не может быть уничтожена, но это нарушает общую теорию относительности, которая гласит, что вы никогда не сможете узнать об объектах, пересекающих горизонт событий черной дыры. Новая теория допускает уничтожение информации из-за фундаментального нарушения предсказуемости.

Источник