Главная Физика Физики: «где же находится гравитационное поле? Ни у кого нет ответа на этот вопрос»

Физики все еще надеются примирить ОТО, гравитацию и квантовую механику

Социальные революции придают жизненные силы и науке. Кипящие токи недовольства бурлят до тех пор, пока кто-то, более прогрессивный и отчаянный, не захватывает власть. В результате чего все переключаются на свержение нового правителя. И так до бесконечности. Король мертв, да здравствует король!

Революции и категории

В истории физики и астрономии такая ситуация возникала множество раз. Сначала мы думали, что Земля расположена в центре Солнечной системы, и эта идея продержалась более 1500 лет. Затем Коперник заявил, что система была бы намного проще, если бы мы жили на планете, вращающейся вокруг Солнца.

 

Несмотря на первоначальную оппозицию, новая картина мира, в конце концов, превратилась в доминирующую идею, особенно когда изобрели телескоп, а доказательства правоты Коперника посыпались на головы церковников и ученых-ортодоксов с неимоверной скоростью.

Затем появился Ньютон, который объяснил, что именно из-за гравитации планеты вращаются вокруг Солнца. Он доказал, что все объекты, обладающие большой массой, взаимно притягиваются друг к другу. Согласно его идеям, мы бегаем вокруг Солнца, потому что оно притягивает нас, а Луна вращается вокруг Земли, потому что мы притягиваем наш спутник.

Ньютон правил в течение двух с половиной столетий, пока в 1915 году не появился Альберт Эйнштейн и не отменил его своей Общей теорией относительности. Новая картина аккуратно описала несоответствия в орбите Меркурия и была подтверждена наблюдениями солнечного затмения 1919 года у берегов Африки.

Сменился и понятийный аппарат. Вместо притяжения - гравитация как результат искривления пространства. Эйнштейн утверждал, что все объекты во Вселенной находятся в пределах «гладкой» четырехмерной ткани, называемой пространством-временем. Массивные объекты, такие как Солнце, искривляют пространство-время вокруг себя, и поэтому орбита Земли - это просто результат того, что наша планета следует за этим искривлением. Хотя для земного наблюдателя все выглядит как обычное ньютоновское притяжение.

Фундаментальная несовместимость

ОТО господствует уже 100 лет, и открытие гравитационных волн в 2015 году стало одновременно решающей победой и памятником саморазрушения. Из-за фундаментальной несовместимости с другим большим зверем в зоопарке физики - квантовой теорией.

Как массивные объекты деформируют пространство-время

Читайте Альтернативная Наука на Google News

Квантовый мир, деликатно говоря, странен. Например, отдельные частицы могут находиться в двух местах одновременно. Только сделав наблюдение, мы заставляем ее "выбирать" свое местоположение. В 1930-х годах Эрвин Шредингер придумал сказку про кошку в запечатанной коробке с пузырьком яда, прикрепленным к молотку. Молоток подключен к прибору, измеряющему квантовое состояние частицы. Разбивает ли молоток пузырек и убивает ли он кошку, зависит от того, как и когда мы измеряем: пока само измерение не произведено, частица одновременно находится в обоих состояниях, то есть пузырек разбит и не разбит, а кошка жива и мертва одновременно.

Такая картина мира математически не совпадает с представлением о непрерывности ткани пространства-времени.

"Гравитационное поле не может находиться в двух местах одновременно", - говорит Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований.

Согласно Эйнштейну, пространство-время искривляется материей, но квантовая физика утверждает, что материя и энергия существуют в нескольких состояниях одновременно.

"Так где же находится гравитационное поле? - спрашивает Хоссенфельдер. - Ни у кого нет ответа на этот вопрос. Это даже как-то неловко".

Попробуйте совместить общую теорию относительности и квантовую теорию, - и вы получите вероятности больше единицы. Но единица - это максимально допустимая вероятность; она означает, что результат определен. Однако иногда расчеты показывают Разумные альтернативы

Таким образом, эти две теории математически несовместимы. Но, подобно большинству монархов, физики стремятся заключить брак между соперничающими фракциями, чтобы обеспечить научный (кафедральный?) мир. Они ищут теорию квантовой гравитации — своего рода дипломатический компромисс, замораживающий конфликт между условными «релятивистами» и «ядерщиками».

Наиболее известная компромиссная идея - теория струн, согласно которой субатомные частицы на самом деле представляют собой крошечные вибрирующие струны. Теоретики утверждают, что различные комбинации струн создают различные частицы.

Петлевая структура пространства

Привлекательность теории заключается в том, что она примиряет общую теорию относительности и квантовую физику, по крайней мере, на бумаге. Однако для того, чтобы вытащить кролика из шляпы, струны должны вибрировать в одиннадцати измерениях - на семь больше, чем в пространстве-времени Эйнштейна. Пока нет экспериментальных доказательств того, что эти дополнительные измерения действительно существуют.

Отчасти вдохновленные предполагаемыми недостатками теории струн, другие физики обратились к альтернативе под названием "Петлевая квантовая гравитация". Но проблема в том, что совместимость двух враждующих теорий если и возможна, то только в случае отказа от о «тканевой» интерпретации пространства-времени. Вместо него возникает серия переплетенных петель - даже малые масштабы имеют свою структуру. Как рисунок на компьютере: при его увеличении картинка распадается на отдельные пиксели.

Проблема в том, что когда сторонники петлевой гравитации говорят "малый", они имеют в виду ну очень «крохотный» размер. Дефекты в пространстве-времени если и будут заметны, то только в планковском масштабе - около триллионной доли триллионной доли триллионной доли метра. Это настолько мало, что в кубическом сантиметре пространства будет больше петель, чем кубических сантиметров во всей наблюдаемой Вселенной.

Если пространство-время различается только в масштабах Планка, то концепцию трудно проверить на любом ускорителе частиц. Понадобится нечто, в триллионы раз более мощное, чем Большой адронный коллайдер. Как же тогда обнаружить столь малые дефекты пространства-времени?

Артефакт квантового мира

Свет из самых дальних уголков Вселенной приходит к нам через миллиарды световых лет пространства-времени. Хотя влияние каждого дефекта пространства-времени будет ничтожно мало, на таких расстояниях взаимодействие нескольких дефектов может привести к потенциально наблюдаемому эффекту. В течение последнего десятилетия астрономы использовали свет от далеких гамма-всплесков для поиска доказательств теории петлевой квантовой гравитации. Считается, что космические вспышки представляют собой наблюдаемый результат коллапс массивных звезд, и в этих детонациях несть нечто, что мы в настоящее время не можем объяснить. Слишком велики искажения, чтобы сделать однозначный вывод из текущих астрономических данных.

Нам придется пойти дальше, чем просто сказать, что пространство-время не является гладкой, непрерывной тканью, как предполагал Эйнштейн. Согласно великому физику, пространство-время всегда остается на своем месте. Однако такие теоретики, как Лоран Фрейдель, Роберт Лей и Джордже Минич считают, что подобная трактовка мироздания сдерживает нас. Они полагают, что пространство-время не существует независимо от объектов, которые в нем находятся. Оно определяется тем, как взаимодействуют объекты. То есть пространство-время — это артефакт квантового мира, а не то, что может быть объединено с ним.

Мы живем в квантовом мире

Привлекательность этой концепции, называемой модульной теорией пространства-времени, заключается в том, что она решает давние проблемы еоретической физики, - скажем, локальности и запутанности.

В лабораторных условиях можно создать ситуацию, при которой «объединяются» две частицы, но связываются их квантовые свойства. Затем они разделяются на большое расстояние, а физики обнаруживают, что частицы по-прежнему взаимосвязаны. Измените свойства одного кварка, другой мгновенно трансформируется, как если бы информация переходила от одной частицы к другой быстрее скорости света. Эйнштейн был настолько возмущен данным явлением, что назвал его "жутким действием на расстоянии".

Модульная теория пространства-времени переопределяет категорию «разделение». Если пространство-время возникает из квантового мира, то в нем «быть ближе» означает наличие более фундаментальных связей, чем в «обычном» физическом мире.

Тем самым возникают разные представления о локальности — все зависит от исходного контекста. Напоминает отношения с другими людьми. К примеру, мы ощущаем близость к человеку, который находится физически «далеко», но одновременно абсолютно удалены от незнакомца, живущего на соседней улице.

Фрайдель, Лей и Миник работали над своей идеей в течение последних пяти лет, и они считают, что постепенно добиваются прогресса.

"Мы хотим быть консервативными и действовать шаг за шагом, - говорит Миник, - но это маняще и захватывающе".

Новый подход, безусловно, направлен на "гравитационализацию" квантового мира, а не на квантование гравитации, как в случае «квантовой гравитации». Однако, как и любая научная теория, она нуждается в проверке. В настоящее время троица работает над тем, как вписать время в свою модель.

Все это может показаться невероятно эзотерическим, о чем должны заботиться только ученые, но их взгляды способны повлиять на нашу повседневную жизнь.

"Мы сидим в пространстве, путешествуем во времени, и если что-то изменится в нашем понимании пространства-времени, это повлияет не только на наше понимание гравитации, но и на квантовую теорию в целом, - утверждает Хоссенфельдер. - Все нынешние устройства работают только благодаря квантовой теории. Если мы лучше поймем квантовую структуру пространства-времени, это окажет влияние на будущие технологии - может быть, не через 50 или 100, а через 200 лет".

Дата: 2021-05-26

Автор: Всеволод Гордиенко

Поделиться с друзьями: