Физики из Университетского колледжа Лондона (UCL) представили теорию, которая может разрешить давний парадокс в современной физике. Эта теория устраняет разрыв между общей теорией относительности Эйнштейна и квантовой механикой, двумя основополагающими, но противоречивыми столпами физики.

Теория Эйнштейна, которая описывает гравитацию через искривление пространства-времени, резко противоречит квантовой механике, правилам, управляющим мельчайшими объектами Вселенной, где частицы танцуют под мелодию вероятностных волновых уравнений.

Эти две теории, хотя и надежны по отдельности, но сталкиваются с фундаментальной природой пространства-времени. Квантовая механика рассматривает пространство-время как фиксированную стадию, но общая теория относительности настаивает на том, что это динамический субъект, реагирующий на присутствие массы.

Более века ученые считали, что для гармонизации этих теорий гравитацию необходимо «квантовать». Эта вера стимулировала развитие теории струн и петлевой квантовой гравитации.

Однако новая теория UCL, возглавляемая профессором Джонатаном Оппенгеймом, предлагает альтернативный путь, предполагая, что пространство-время может оставаться классическим. Рассматривая гравитацию классически, ученые предлагают объединить ее с квантовой механикой посредством вероятностного механизма.

Ломая стереотипы физики

Опубликовано в Физический обзор X Теория Оппенгейма представляет «постквантовую теорию классической гравитации». Это предполагает радикальный сдвиг, модифицирующий квантовую теорию вместо пространства-времени. Эта модель предсказывает, что взаимодействие пространства-времени с квантовыми частицами приводит к непредсказуемым, сильным флуктуациям, ставящим под сомнение точность измерений веса (именно так теория может быть проверена экспериментально).

Новаторство Оппенгейма заключается в отказе от ключевого предположения, выдвинутого критиками таких гибридных моделей: что взаимодействие между классической гравитацией и квантовой материей должно быть обратимым. Он предлагает стохастическую (вероятностную) модель, в которой будущие состояния неопределенны, в отличие от детерминистических моделей, в которых будущее можно точно предсказать на основе настоящего.

Расширяя свою теорию, Оппенгейм исследует связь квантовой теории поля (КТП) с общей теорией относительности. Здесь квантовые поля в искривленном пространстве-времени взаимодействуют с классической метрикой общей теории относительности через его стохастическое уравнение. Эта установка позволяет квантовым полям влиять на кривизну пространства-времени — особенность, отсутствующая в существующих подходах QFT.

Теория Оппенгейма радикальна, но консервативна. Она сохраняет классическую природу общей теории относительности, обходя концептуальные проблемы квантования пространства-времени. Однако это также предполагает, что квантовая информация может быть потеряна в черных дырах, что является спорным выводом.

Эксперимент 5000 к 1?

Второе исследование, опубликованное в Природные коммуникации , исследует последствия этой теории и обрисовывает в общих чертах экспериментальную проверку. Предлагаемый эксперимент включает в себя точное измерение массы, такой как стандартная масса в 1 кг, установленная Международным бюро мер и весов во Франции, чтобы обнаружить любые колебания ее веса. Если колебания в измерениях массы в 1 кг меньше, чем предсказывает новая теория, то эту теорию можно исключить.

«Мы показали, что если пространство-время не имеет квантовой природы, то должны существовать случайные флуктуации кривизны пространства-времени, имеющие особую характеристику, которую можно проверить экспериментально», — говорит соавтор Зак Веллер-Дэвис, Кандидат наук. студент UCL и ключевой член команды, разрабатывающей новую теорию.

«И в квантовой гравитации, и в классической гравитации пространство-время должно претерпевать сильные и случайные колебания повсюду вокруг нас, но в масштабах, которые мы еще не смогли обнаружить. Но если пространство-время является классическим, флуктуации должны превышать определенный масштаб, и этот масштаб можно определить с помощью другого эксперимента, в котором мы проверим, как долго мы сможем поместить тяжелый атом в суперпозицию, находясь в двух разных местах».

Это должен быть интересный эксперимент, когда он наконец будет завершен, поскольку он станет предметом пари с коэффициентом 5000:1 между Оппенгеймом и профессором Карло Ровелли и доктором Джеффом Пенингтоном — ведущими сторонниками квантовой петлевой гравитации и теории струн соответственно.

«Квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна математически несовместимы друг с другом, поэтому важно понять, как разрешается это противоречие. Следует ли квантовать пространство-время, или нам следует модифицировать квантовую теорию, или это нечто совершенно иное? Теперь, когда у нас есть последовательная фундаментальная теория, в которой пространство-время не квантовано, об этом можно только догадываться», — сказал профессор Оппенгейм.

В сфере фундаментальной физики предложение Оппенгейма представляет собой смелый отход от семи десятилетий устоявшейся мысли. Это открывает новый рубеж в нашем стремлении понять глубочайшие тайны Вселенной, стоя на пороге потенциального изменения нашей концепции реальности.

Но пока не звоните в комитет по Нобелевской премии. Окончательной проверкой теории Оппенгейма является эмпирическое подтверждение, за которым мы будем следить с большим интересом и нетерпением.