Новая «теория всего» предполагает, что наша Вселенная может быть похожа на голограмму
Если речь идет о гравитации, две из лучших моделей реальности — общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна и законы квантовой механики — несовместимы как масло и вода. ОТО объясняет гравитацию искривлением ткани пространства-времени. При этом для большей части сил во Вселенной исследователи ищут (и находят, часто экспериментально) квантовые частицы и принципы их взаимодействия. С гравитацией такого сделать не удается даже теоретически — это взаимодействие пока никак не вписывается в квантовую механику. Физики-теоретики бьются над этим около сотни лет. Для повседневной жизни обычных людей, даже для наблюдений за космическими объектами острой необходимости в таком объединении нет.
Однако в космосе существует исключение — черные дыры. Внутри этих загадочных структур, по всей вероятности, как раз главенствует квантовая гравитация. Скорее всего, законы физики там меняются до неузнаваемости. Как точно это происходит, пока неизвестно, но то, что там творится что-то странное, — безусловно. Если будет создана внятная теория квантовой гравитации, человечество поймет, как функционируют черные дыры и что можно с ними делать.
Есть и другой «небольшой бонус» — это будет «теория всего»: элегантное универсальное уравнение, объясняющее устройство мира, ключ к пониманию Вселенной, о котором так мечтают ученые. Кроме того, будет понятно, как образовалась Вселенная и что точно происходило в самом начале времен.
Сейчас есть две самые популярные теории, объединяющие ОТО и квантовую физику: теория струн и теория квантовой петлевой гравитации. Недавно исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Массачусетского технологического института в США предложили еще одну. Математическое открытие описывает появление гравитации в так называемой голографической модели Вселенной.
Научная статья вышла в Nature Communications, кратко о ней рассказывает Science Alert.
Чтобы решить задачу, ученые часто рассуждают так: если в существующем трехмерном (или четырехмерном, если добавить время) мире уравнения не сходятся, что будет, если поиграть с количеством пространственных измерений? Теория струн, например, предлагает от 10 до 26 измерений пространства-времени, авторы же новой концепции убирают их.
Согласно новой теории, вся информация о том, как частицы сталкиваются и сближаются, находится на чем-то больше похожем на плоскую поверхность, чем на трехмерное пространство, в котором, как мы думаем, мы живем, — подобно тому, как появляется ощущение глубины, когда вы смотрите на плоскую голографическую наклейку. Есть веская причина так думать: квантовые версии гравитации, встроенные в наше четырехмерное пространство-время, быстро становятся чрезвычайно сложными и неработоспособными.
Здесь же математики отталкиваются от идеи, что Вселенная имеет границу. Это тоже пока дискуссионный вопрос: какой формы Вселенная и конечна ли она. Разные физики-теоретики предлагают разные варианты: плоская, как лист, сферическая, в форме бублика, цилиндра и др. В любом случае, утверждают авторы новой теории, именно на границе Вселенной мир будет плоским, двумерным, как голограмма, которая обычно со стороны кажется нам трехмерной. Там-то, по мнению авторов открытия, и рождается квантовая гравитация (то есть сходятся расчеты для ее формулирования).
В качестве приятного дополнения эта новая концепция может также объяснить работу темной энергии, расширяющей Вселенную.
«Мы стремимся понять законы природы, а языком, на котором они написаны, является математика. Когда мы ищем ответы на вопросы в физике, часто приходим и к новым открытиям в математике. Это особенно заметно при поиске квантовой гравитации, где крайне сложно проводить эксперименты», — говорит математик из Университета Чалмерса Дэниел Перссон.