Учените предлагат противоречиви теории, които съвместяват гравитацията на Айнщайн с квантовата механика, оспорвайки дългогодишни предположения.
Физиците от Лондонския университетски колеж (UCL) представиха теория, която може да разреши дългогодишен парадокс в съвременната физика. Тази теория преодолява пропастта между общата теория на относителността на Айнщайн и квантовата механика – два фундаментални, но противоречиви стълба на физиката.
Теорията на Айнщайн, която описва гравитацията чрез кривината на пространство-времето, е в опозиция на квантовата механика – правилата, управляващи най-малките единици на Вселената, където частиците танцуват в тон на вероятностни вълнови уравнения.
Тези две теории, макар и поотделно стабилни, са в сблъсък относно фундаменталната природа на пространство-времето. Квантовата механика третира пространство-времето като фиксиран етап, но общата теория на относителността настоява, че това е динамичен актьор, реагиращ на наличието на маса.
Повече от век учените вярваха, че за да се хармонизират тези теории, гравитацията трябва да бъде „квантувана“. Това вярване стимулира развитието на струнната теория и примковата квантова гравитация.
Но новата теория на UCL, оглавявана от професор Джонатан Опенхайм, предлага алтернативен път, предполагайки, че пространство-времето може да остане класическо. Като третират гравитацията класически, учените предлагат да я слеят с квантовата механика чрез вероятностен механизъм.
Разчупване на формата на физиката
Публикувана в Physical Review X, теорията на Опенхайм въвежда „постквантова теория на класическата гравитация“. Това предполага радикална промяна, модифициране на квантовата теория вместо пространство-времето. Този модел прогнозира, че взаимодействието на пространство-времето с квантовите частици води до непредсказуеми, бурни колебания (флуктуации), поставяйки под въпрос прецизността на измерванията на масата (по този начин теорията може да бъде потвърдена експериментално).
Иновацията на Опенхайм се състои в отхвърлянето на ключово предположение, изтъкнато от критиците на такива хибридни модели: че взаимодействието между класическата гравитация и квантовата материя трябва да е обратимо. Той предлага стохастичен (вероятностен) модел, при който бъдещите състояния са несигурни, за разлика от детерминистичните модели, при които бъдещето може да бъде точно предсказано от настоящето.
Разширявайки своята теория, Опенхайм изследва свързването на квантовата теория на полето (QFT) с общата теория на относителността. Тук квантовите полета върху огънатото пространство-време взаимодействат с класическата метрика на общата теория на относителността чрез неговото стохастично уравнение. Тази настройка позволява на квантовите полета да влияят върху кривината на пространство-времето, характеристика, която липсва в съществуващите QFT подходи.
Теорията на Опенхайм е радикална, но консервативна. Той запазва класическия характер на общата теория на относителността, заобикаляйки концептуалните предизвикателства на квантуването на пространство-времето. Но също така предполага, че квантовата информация може да бъде загубена в черните дупки, което е спорно заключение.
Експеримент 5000 към 1?
Прецизно измерване на маса. Изображение: Isaac Young / UCL
Второ изследване, публикувано в Nature Communications, изследва последиците от тази теория и очертава експериментален тест. Предложеният експеримент включва прецизно измерване на маса, като стандартната маса от 1 кг в Международното бюро за мерки и теглилки във Франция, за да се открият всякакви колебания в нейното тегло. Ако колебанията в измерванията на тази маса от 1 кг са по-малки, отколкото предвижда новата теория, тогава теорията може да бъде изключена.
„Ние показахме, че ако пространство-времето няма квантова природа, тогава трябва да има произволни флуктуации в кривината на пространство-времето, които имат определен подпис, който може да бъде потвърден експериментално“, казва съавторът доц. д-р Зак Уелър-Дейвис.
„Както в квантовата гравитация, така и в класическата гравитация, пространство-времето трябва да претърпява бурни и произволни флуктуации навсякъде около нас, но в мащаб, който все още не сме успели да открием. Но ако пространство-времето е класическо, флуктуациите трябва да са по-големи от определена ска̀ла и тази ска̀ла може да бъде определена чрез друг експеримент, при който тестваме колко дълго можем да поставим тежък атом в суперпозиция на две различни места“, пояснява Уелър-Дейвис.
Това трябва да бъде интересен експеримент, тъй като е обект на залог с коефициенти 5000 : 1 между Опенхайм и професор Карло Ровели и д-р. Джеф Пенингтън – водещите поддръжници съответно на квантовата примкова гравитация и теорията на струните.
„Квантовата теория и общата теория на относителността на Айнщайн са математически несъвместими, така че е важно да разберем как се разрешава това противоречие. Трябва ли пространство-времето да се квантува, или трябва да модифицираме квантовата теория, или е нещо съвсем друго? Сега, когато имаме последователна фундаментална теория, в която пространство-времето не се квантува, никой не може да гадае“, казва професор Опенхайм.
В сферата на фундаменталната физика предложението на Опенхайм е дръзко отклонение от седем десетилетия установена мисъл. Той отваря нова граница в стремежа към разбиране на най-дълбоките мистерии на Вселената, стоящи на прага на потенциално прекрояване на нашата концепция за реалността.
Но все още не се обаждайте на Комитета за Нобелова награда. Крайният тест за теорията на Опенхайм се крие в емпирично валидиране.
