Столкнувшись с исторической задачей объединения общей теории относительности и квантовой механики, физики из Калифорнийского университета разработали инновационную теорию. Если она будет подтверждена, то это не только станет основой для решения давних загадок физики, но и окажет глубокое влияние на наше понимание физических явлений, от черных дыр до элементарных частиц.
Уже более века теоретическая физика сталкивается с серьезной проблемой: примирить общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию через искривление пространства-времени, и квантовую механику, которая управляет поведением частиц в атомном и субатомном масштабах. Математическая несовместимость этих двух фундаментальных основ долгое время препятствовала попыткам объединить их.
Недавно исследователи из Университетского колледжа Лондона предложили новую теорию, которая потенциально может преодолеть этот разрыв, предлагая другой взгляд на природу пространства-времени и его взаимодействие с квантовыми частицами. Работа исследователей под руководством Джонатана Оппенгейма представлена в двух статьях, опубликованных одновременно в журналах Nature Communications и Physical Review X.
Авторы представили новую теорию, согласно которой пространство-время может быть "классическим" по своей природе. Это означает, что оно не будет подчиняться странным и противоречащим интуиции законам квантовой механики, которые управляют поведением частиц в атомном и субатомном масштабах.
Это предложение радикально отличается от современных теорий, таких как теория струн или петлевая квантовая гравитация. Последние пытаются интегрировать гравитацию в квантовые рамки, изменяя наше понимание самого пространства-времени, рассматривая его как квантовое. Новая теория UCL, с другой стороны, идет другим путем, изменяя квантовую теорию, а не пространство-время.
Наиболее удивительным аспектом этой теории является то, что она предсказывает существование случайных и сильных флуктуаций в пространстве-времени. Эти флуктуации настолько значительны, что могут сделать непредсказуемым видимый вес объекта — если его измерить с достаточной точностью.
На этом фоне бывшие докторанты профессора Оппенгейма предлагают эксперимент, представленный в журнале Nature Communications, для проверки теории: очень точно измерить массу объекта, чтобы увидеть, колеблется ли его вес. Например, Международное бюро мер и весов во Франции регулярно взвешивает массу в 1 кг. Авторы предлагают использовать этот тип измерений в качестве тестового случая для теории. Если измерения массы в 1 кг покажут флуктуации ниже тех, которые требуются для математической согласованности, то теория будет признана несостоятельной.
Результат эксперимента или другие появляющиеся доказательства, которые подтвердят квантовую и классическую природу пространства-времени, являются предметом пари между профессором Оппенгеймом, профессором Карло Ровелли и доктором Джеффом Пенингтоном — сторонниками петлевой квантовой гравитации и теории струн соответственно.
Новая теория, предложенная физиками Калифорнийского университета, не только примиряет гравитацию с квантовой механикой, но и способна изменить наше понимание некоторых фундаментальных аспектов физики. Одним из ключевых моментов является сомнение в постулате измерения в квантовой механике. Согласно этому постулату, свойства квантовой частицы, такие как ее положение или скорость, определяются только тогда, когда они измерены. Однако эта теория предполагает, что квантовая суперпозиция — явление, когда частица одновременно существует в нескольких различных состояниях или конфигурациях, — может быть решена естественным образом через взаимодействие с классическим пространством-временем. Это означает, что акт измерения больше не будет единственным фактором, определяющим реальность квантового состояния.
Кроме того, эта теория может предложить новый взгляд на проблему информации в черных дырах. Согласно принципам квантовой механики, информация не может быть уничтожена, однако теория общей относительности предполагает, что любая информация, поглощенная черной дырой, теряется навсегда. Это противоречие является серьезной проблемой в теоретической физике. Теория UCL, изменяя нашу интерпретацию взаимодействия между квантовой материей и пространством-временем, может обеспечить основу для разрешения этого парадокса.
Тем не менее эта новая теория встречает значительный скептицизм в научном сообществе. Такие физики, как Карло Ровелли, выражают свои сомнения, указывая на то, что многие многообещающие теории в прошлом оказались неверными. Их осторожность подчеркивает важность экспериментального подтверждения в науке: теория, какой бы элегантной она ни была с математической или концептуальной точки зрения, должна столкнуться с эмпирической реальностью, чтобы быть принятой.
Предложение проверить, является ли пространство-время классическим, путем поиска случайных флуктуаций массы дополняет другое экспериментальное предложение, направленное на проверку квантовой природы пространства-времени путем поиска так называемой "гравитационно-опосредованной запутанности".
Проведение экспериментов, необходимых для проверки этой теории, потребует тесного сотрудничества в рамках научного сообщества. Профессор Сугато Бозе из Калифорнийского университета в пресс-релизе заявил: "Эксперименты по проверке природы пространства-времени потребуют масштабных усилий, но они жизненно важны с точки зрения понимания фундаментальных законов природы. Я считаю, что эти эксперименты подвластны нам, эти вещи трудно предсказать, но, возможно, мы узнаем ответ в течение следующих 20 лет".