Современная физика основана на двух основных принципах: квантовая теория, которая управляет самыми маленькими частицами во Вселенной, и теория общей относительности Эйнштейна, которая объясняет гравитацию через искривление пространства-времени. Однако эти две теории противоречат друг другу, и их согласование остается недостижимым уже более столетия.
Преобладающее предположение состоит в том, что теорию гравитации Эйнштейна необходимо изменить или «квантовать», чтобы она соответствовала квантовой теории. Такой подход применяется в двух основных кандидатах на квантовую теорию гравитации — струнной теории и петлевой квантовой гравитации.
Однако новая теория, разработанная профессором Джонатаном Оппенхаймом (UCL Физика и астрономия) и изложенная в статье в Physical Review X, оспаривает это соглашение и предлагает альтернативный подход, предлагая, что пространство-время может быть классическим — то есть не управляться квантовой теорией вообще.
Вместо изменения пространства-времени, теория, получившая название «постквантовая теория классической гравитации», изменяет квантовую теорию и предсказывает внутреннее нарушение предсказуемости, которое передается самим пространство-временем. Это приводит к случайным и бурным колебаниям в пространство-времени, которые больше, чем предусмотрено в рамках квантовой теории, делая видимый вес объектов непредсказуемым, если измерять их достаточно точно.
Во второй статье, опубликованной одновременно в Nature Communications и под руководством бывших студентов доктора Оппенхайма, рассматриваются некоторые последствия теории и предлагается эксперимент для ее проверки: измерить массу очень точно, чтобы увидеть, колеблется ли ее вес со временем.
Например, в Международном бюро весов и мер Франции регулярно взвешивают массу в 1 кг, которая раньше была стандартом 1 кг. Если колебания измерений этой массы в 1 кг меньше, чем требуется для математической согласованности, теорию можно отклонить.
Результат эксперимента или другие появляющиеся данные, которые подтвердят квантовую или классическую природу пространства-времени, являются предметом пари с коэффициентом 5000:1 между профессором Оппенхаймом и профессором Карло Ровелли и доктором Джеффом Пенингтоном — ведущими сторонниками петлевой квантовой гравитации и струнной теории соответственно.
На протяжении пяти последних лет исследовательская группа из UCL тестирует теорию и изучает ее последствия.
Квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна математически несовместимы, поэтому важно понять, как это противоречие разрешается. Следует ли пространству-времени быть квантовым, или мы должны изменить квантовую теорию, или это что-то другое? Теперь, когда у нас есть последовательная фундаментальная теория, в которой пространство-время не квантовано, кто знает
— профессор Оппенхайм.
Соавтор Зак Уэллер-Дэвис, который в свое время являлся студентом доктора Оппенхайма в UCL, помог разработать экспериментальное предложение и внес существенный вклад в саму теорию убежден, что это открытие вызывает сомнения в нашем понимании фундаментальной природы гравитации, но также предлагает способы исследования ее потенциальной квантовой природы.
Мы показали, что если пространство-время не обладает квантовой природой, то в искривлении пространства-времени должны происходить случайные колебания с определенной сигнатурой, которую можно проверить экспериментально.
В квантовой гравитации и классической гравитации пространство-время должно подвергаться насильственным и случайным колебаниям повсюду вокруг нас, но на масштабе, которым мы еще не смогли обнаружить. Однако, если пространство-время является классическим, то колебания должны быть больше определенной шкалы, и эту шкалу можно определить с помощью другого эксперимента, в котором мы проверяем, как долго тяжелый атом может находиться в суперпозиции двух разных мест
В квантовой гравитации и классической гравитации пространство-время должно подвергаться насильственным и случайным колебаниям повсюду вокруг нас, но на масштабе, которым мы еще не смогли обнаружить. Однако, если пространство-время является классическим, то колебания должны быть больше определенной шкалы, и эту шкалу можно определить с помощью другого эксперимента, в котором мы проверяем, как долго тяжелый атом может находиться в суперпозиции двух разных мест
— Зак Уэллер-Дэвис.
Новая теория вызывает великое удивление и заставляет задуматься о фундаментальной природе гравитации. Она предлагает альтернативный взгляд на проблему объединения квантовой механики и теории относительности Эйнштейна. Вместо модификации пространства-времени, как предлагают стандартные теории, эта новая теория изменяет квантовую механику и предсказывает внутреннее нарушение предсказуемости, которое происходит через само пространство-время.
Если эта теория подтвердится, она может иметь далекоидущие последствия. Она может изменить наше представление о пространстве-времени и привести к новым открытиям в области физики элементарных частиц и космологии. Кроме того, она может стать важным шагом на пути к объединению всех фундаментальных сил природы в единую теорию.
Однако, какой бы результат не принес эксперимент или другие доказательства, подтверждающие квантовую или классическую природу пространства-времени, это остается предметом спора между учеными. Профессор Оппенгейм заключил сделку с профессором Ровелли и доктором Пенингтоном: если их теории окажутся верными, то он заплатит им 5000:1 ставку. Это ставка велика, но и разница в мнениях между учеными также значительна.
В течение последних пяти лет исследовательская группа Университета Колледжа Лондона проводит эксперименты и изучает последствия новой теории. Они стремятся понять, какое из объяснений проблемы объединения квантовой механики и гравитации верно. Возможно, истина лежит где-то посередине, или, может быть, она совсем иная. Все эти вопросы можно решить только через научный метод и проведение экспериментов.
Проблема объединения гравитации и квантовой механики — одна из самых сложных задач в современной физике. Однако появление новой теории открывает новые возможности и переворачивает распространенные представления о пространстве-времени и его связи с другими фундаментальными физическими явлениями. Будущее этой теории пока неясно, но одно можно сказать наверняка — она вызывает интерес и волнение в научном сообществе, и ее исследованиям уделено все больше внимания и ресурсов.
