Петльова квантова гравітація: як поєднати ЗТВ і квантову фізику?

Соціальні революції надають життєвих сил і науці. Киплячі струми невдоволення вирують доти, доки хтось, більш прогресивний і відчайдушний, не захоплює владу. У результаті чого всі переключаються на повалення нового правителя. І так до нескінченності. Король мертвий, хай живе король!

Революції та категорії

В історії фізики та астрономії така ситуація виникала безліч разів. Спочатку ми думали, що Земля розташована в центрі Сонячної системи, і ця ідея протрималася понад 1500 років. Потім Коперник заявив, що система була б набагато простішою, якби ми жили на планеті, що обертається навколо Сонця.

Незважаючи на початкову опозицію, нова картина світу, врешті-решт, перетворилася на домінантну ідею, особливо коли винайшли телескоп, а докази правоти Коперника посипалися на голови церковників і вчених-ортодоксів з неймовірною швидкістю.

Потім з'явився Ньютон, який пояснив, що саме через гравітацію планети обертаються навколо Сонця. Він довів, що всі об'єкти, які мають велику масу, взаємно притягуються один до одного. Згідно з його ідеями, ми бігаємо навколо Сонця, тому що воно притягує нас, а Місяць обертається навколо Землі, тому що ми притягуємо наш супутник.

Ньютон правив протягом двох з половиною століть, поки в 1915 році не з'явився Альберт Ейнштейн і не скасував його своєю Загальною теорією відносності. Нова картина акуратно описала невідповідності в орбіті Меркурія і була підтверджена спостереженнями сонячного затемнення 1919 року біля берегів Африки.

Змінився і понятійний апарат. Замість тяжіння - гравітація як результат викривлення простору. Ейнштейн стверджував, що всі об'єкти у Всесвіті перебувають у межах "гладкої" чотиривимірної тканини, званої простором-часом. Масивні об'єкти, такі як Сонце, викривляють простір-час навколо себе, і тому орбіта Землі - це просто результат того, що наша планета слідує за цим викривленням. Хоча для земного спостерігача все виглядає як звичайне ньютонівське тяжіння.

Фундаментальна несумісність

ЗТВ панує вже 100 років, і відкриття гравітаційних хвиль у 2015 році стало водночас вирішальною перемогою і пам'ятником саморуйнування. Через фундаментальну несумісність з іншим великим звіром у зоопарку фізики - квантовою теорією.

КЯк масивні об'єкти деформують простір-час

Фото: BBC
Як масивні об'єкти деформують простір-час

 

Квантовий світ, делікатно кажучи, дивний. Наприклад, окремі частинки можуть перебувати у двох місцях одночасно. Тільки зробивши спостереження, ми змушуємо її "вибирати" своє місце розташування. У 1930-х роках Ервін Шредінгер придумав казку про кішку в запечатаній коробці з бульбашкою отрути, прикріпленою до молотка.

Молоток під'єднаний до приладу, що вимірює квантовий стан частинки. Чи розбиває молоток бульбашку і чи вбиває він кішку, залежить від того, як і коли ми вимірюємо: доки сам вимір не зроблено, частинка одночасно перебуває в обох станах, тобто бульбашка розбита і не розбита, а кішка жива і мертва одночасно.

Така картина світу математично не збігається з уявленням про безперервність тканини простору-часу.

"Гравітаційне поле не може перебувати у двох місцях одночасно", - каже Сабіна Хоссенфельдер, фізик-теоретик із Франкфуртського інституту перспективних досліджень.

Згідно з Ейнштейном, простір-час викривляється матерією, але квантова фізика стверджує, що матерія та енергія існують у кількох станах одночасно.

"Так де ж знаходиться гравітаційне поле? - запитує Хоссенфельдер. - Ні в кого немає відповіді на це запитання. Це навіть якось ніяково".

Спробуйте поєднати загальну теорію відносності та квантову теорію, - і ви отримаєте ймовірності, більші за одиницю. Але одиниця - це максимально допустима ймовірність; вона означає, що результат визначений. Однак іноді розрахунки показують розумні альтернативи.

Петльова структура простору

Таким чином, ці дві теорії математично несумісні. Але, подібно до більшості монархів, фізики прагнуть укласти шлюб між фракціями, що змагаються, щоб забезпечити науковий (кафедральний?) мир. Вони шукають теорію квантової гравітації - своєрідний дипломатичний компроміс, що заморожує конфлікт між умовними "релятивістами" і "ядерниками".

Найвідоміша компромісна ідея - теорія струн, згідно з якою субатомні частинки насправді являють собою крихітні струни, що вібрують. Теоретики стверджують, що різні комбінації струн створюють різні частинки.

Привабливість теорії полягає в тому, що вона примиряє загальну теорію відносності та квантову фізику, принаймні, на папері. Однак для того, щоб витягнути кролика з капелюха, струни повинні вібрувати в одинадцяти вимірах - на сім більше, ніж у просторі-часі Ейнштейна. Поки що немає експериментальних доказів того, що ці додаткові виміри дійсно існують.

Частково натхненні передбачуваними недоліками теорії струн, інші фізики звернулися до альтернативи під назвою "Петльова квантова гравітація". Але проблема в тому, що сумісність двох ворогуючих теорій якщо й можлива, то тільки в разі відмови від "тканинної" інтерпретації простору-часу. Замість нього виникає серія переплетених петель - навіть малі масштаби мають свою структуру. Як малюнок на комп'ютері: при його збільшенні картинка розпадається на окремі пікселі.

Проблема в тому, що коли прихильники петлевої гравітації кажуть "малий", вони мають на увазі ну дуже "крихітний" розмір. Дефекти в просторі-часі якщо й будуть помітні, то тільки в планківському масштабі - близько трильйонної частки трильйонної частки трильйонної частки трильйонної частки метра. Це настільки мало, що в кубічному сантиметрі простору буде більше петель, ніж кубічних сантиметрів у всьому спостережуваному Всесвіті.

Якщо простір-час різниться тільки в масштабах Планка, то концепцію важко перевірити на будь-якому прискорювачі частинок. Знадобиться щось, у трильйони разів потужніше, ніж Великий адронний колайдер. Як же тоді виявити настільки малі дефекти простору-часу?

Артефакт квантового світу

Світло з найдальших куточків Всесвіту приходить до нас через мільярди світлових років простору-часу. Хоча вплив кожного дефекту простору-часу буде мізерно малий, на таких відстанях взаємодія кількох дефектів може призвести до потенційно спостережуваного ефекту. Протягом останнього десятиліття астрономи використовували світло від далеких гамма-сплесків для пошуку доказів теорії петлевої квантової гравітації.

Таємниці квантового світуВважається, що космічні спалахи являють собою спостережуваний результат колапсу масивних зірок, і в цих детонаціях є дещо, чого ми наразі не можемо пояснити. Занадто великі спотворення, щоб зробити однозначний висновок із поточних астрономічних даних.

Нам доведеться піти далі, ніж просто сказати, що простір-час не є гладкою, безперервною тканиною, як припускав Ейнштейн. Згідно з великим фізиком, простір-час завжди залишається на своєму місці.

Однак такі теоретики, як Лоран Фрейдель, Роберт Лей і Джордже Мініч вважають, що подібне трактування світобудови стримує нас. Вони вважають, що простір-час не існує незалежно від об'єктів, які в ньому перебувають. Він визначається тим, як взаємодіють об'єкти. Тобто простір-час - це артефакт квантового світу, а не те, що може бути об'єднано з ним.

Привабливість цієї концепції, званої модульною теорією простору-часу, полягає в тому, що вона розв'язує давні проблеми теоретичної фізики, - скажімо, локальності та заплутаності.

У лабораторних умовах можна створити ситуацію, за якої "об'єднуються" дві частинки, але зв'язуються їхні квантові властивості. Потім вони розділяються на велику відстань, а фізики виявляють, що частинки, як і раніше, взаємопов'язані. Змініть властивості одного кварка, інший миттєво трансформується, наче б інформація переходила від однієї частинки до іншої швидше за швидкість світла. Ейнштейн був настільки обурений цим явищем, що назвав його "моторошною дією на відстані".

Модульна теорія простору-часу перевизначає категорію "поділ". Якщо простір-час виникає з квантового світу, то в ньому "бути ближче" означає наявність більш фундаментальних зв'язків, ніж у "звичайному" фізичному світі.

Модульна теорія простору-часу

Фото: Час Науки
Модульна теорія простору-часу

 

Тим самим виникають різні уявлення про локальність - усе залежить від вихідного контексту. Нагадує стосунки з іншими людьми. Приміром, ми відчуваємо близькість до людини, яка перебуває фізично "далеко", але водночас абсолютно віддалені від незнайомця, що живе на сусідній вулиці.

Фрайдель, Лей і Мінік працювали над своєю ідеєю протягом останніх п'яти років, і вони вважають, що поступово досягають прогресу.

"Ми хочемо бути консервативними і діяти крок за кроком, - каже Мінік, - але це привабливо і захоплююче".

Новий підхід, безумовно, спрямований на "гравітаціоналізацію" квантового світу, а не на квантування гравітації, як у випадку "квантової гравітації".

Однак, як і будь-яка наукова теорія, вона потребує перевірки. Наразі трійця працює над тим, як вписати час у свою модель.

Усе це може здатися неймовірно езотеричним, про що мають дбати лише вчені, але їхні погляди здатні вплинути на наше повсякденне життя.

"Ми сидимо в просторі, подорожуємо в часі, і якщо щось зміниться в нашому розумінні простору-часу, це вплине не тільки на наше розуміння гравітації, а й на квантову теорію загалом, - стверджує Хоссенфельдер. - Усі нинішні пристрої працюють тільки завдяки квантовій теорії. Якщо ми краще зрозуміємо квантову структуру простору-часу, це вплине на майбутні технології - можливо, не через 50 або 100, а через 200 років".

Написати коментар