Физики предложили теорию гравитации, согласующуюся с квантовой механикой

Самый животрепещущий вопрос в современной физике — как общая теория относительности, описывающая гравитацию и пространство-время в больших масштабах, стыкуется с квантовой механикой — законами микромира. Есть множество гипотетических решений, но ни одно не доказано; более того, большинство из них до сих пор не удалось ни окончательно опровергнуть, ни даже строго проверить.

Профессор Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона разработал так называемую теорию постквантовой гравитации. Она хорошо согласуется с квантовой механикой, но пугающе радикальна. В журнале Physical Review X физик развил математический аппарат теории и предложил несколько способов ее проверки.

Основная идея его состоит в том, что ни гравитация, ни пространство-время не квантуются — это непрерывные фундаментальные сущности. В новой статье авторы выстраивают длинную цепочку сложных математических выкладок и моделируют, как такое неквантовое пространство-время взаимодействует с заключенными в нем квантовыми силами, частицами и полями.

Среди эффектов, которые следуют из этих расчетов — странная стохастичность (случайность) в самом пространстве-времени. Когда мы думаем о времени, мы обычно представляем себе равномерно тикающие часы, где каждый следующий удар отделен от предыдущего одинаковыми интервалами. В постквантовой гравитации в этих интервалах возможны крошечные случайные флуктуации. Они происходят в слишком малых масштабах, чтобы можно было их заметить, но делают течение времени зыбким и непредсказуемым.

Зыбкое время и кот Шредингера

Именно эти флуктуации примиряют теорию гравитации Оппенгейма с квантовой механикой. Когда их включают в базовые квантово-механические расчеты, в результате получаются несколько фундаментальных свойств, наблюдаемых в квантовых системах, включая пресловутого кота Шредингера — коллапс волновой функции под влиянием наблюдения.

Остается неясным, почему время должно быть «аналоговым». Эта особенность вытекает из уравнений, но Оппенгейм и его коллеги пока не связали эту случайность с каким-либо конкретным источником.

«Есть ли некий конкретный физический эффект, заставляющий время течь непредсказуемо? Возможно, но это более глубокий уровень, и сейчас я не думаю, что мы готовы туда заглядывать — ни с научной, ни с философской точки зрения. Но если мы не собираемся квантовать пространство-время, то оно неизбежно должно стать таким», — объясняет Оппенгейм.

Смелая теория ожидаемо вызывает ожесточенные споры среди физиков.

«Я не знаю никого, кто считал бы, что она скорее верна, чем нет — пожалуй, тут я в одиночестве, — но, думаю, есть много тех, кто полагает, что мы должны ее проверить», — считает профессор.

Способы проверки — пока только теоретические — он и предлагает в новой работе.

Теорию можно проверить

Возможность экспериментальной валидации придает постквантовой гравитации серьезность и научный потенциал, которых лишены некоторые другие идеи, говорит Джузеппе Фабиано, который проверяет теории гравитации в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

«Я отношусь к самой теории агностически, но пока она дает предсказания, которые я могу проверить в лаборатории, это полезная теория», — подчеркивает он.

Эксперименты, предлагаемые Оппенгеймом и другими, касаются измерения свойств гравитации между парами объектов. Поскольку общая теория относительности неразрывно связывает пространство и время и постулирует, что источником гравитации служит искривление пространства-времени, любые изменения свойств пространства и времени должны неизбежно влиять на силу гравитации. «Если течение времени обладает этой непредсказуемостью, то при измерении гравитации мы увидим эту непредсказуемость», — объясняет Оппенгейм.

Подождем экспериментов

Эти эксперименты уже проектируются, хотя до достижения необходимой точности, чтобы реально проверить постквантовую гравитацию, могут пройти десятилетия. Совсем недавно было показано, что такие проверки в принципе возможны — разработка датчиков и вычисление необходимых параметров станет еще одной колоссальной задачей. Но даже несмотря на спорность самой теории, многие физики согласны, что эти эксперименты стоит провести.

«Если бы мы получили экспериментальное подтверждение справедливости постквантовой гравитации, это было бы грандиозным событием, прежде всего потому, что она кардинально отличалась бы от всех остальных взаимодействий, которые мы анализировали на протяжении прошлого века», — говорит Фабиано.

Гравитация всегда в чем-то отличалась от других фундаментальных сил — например, она гораздо слабее их — но идея, что ее природа настолько иная, стала бы настоящей революцией в физике. Остается дождаться результатов экспериментов.