Единая теория объединила гравитацию Эйнштейна и квантовую механику. Это уже теория всего или пока нет?

Современная физика основана на двух столпах: квантовой теории, с одной стороны, которая управляет мельчайшими частицами во Вселенной, и общей теории относительности Эйнштейна, с другой, которая объясняет гравитацию через искривление пространства-времени. Но эти две теории находятся в противоречии друг с другом, и объединить их не удается уже более столетия.

Основным направлением такого объединения до сих пор было то, что теория гравитации Эйнштейна должна быть модифицирована или «квантована», чтобы соответствовать квантовой теории. Это подход двух ведущих кандидатов на создание квантовой теории гравитации: теории струн и петлевой квантовой гравитации.

Но новая теория, разработанная профессором Джонатаном Оппенгеймом (Университетский Колледж Лондона) бросает вызов этому консенсусу и использует альтернативный подход. Физик предполагает, что пространство-время может быть классическим, то есть не подчиняется квантовым законам.

Вместо того, чтобы модифицировать пространство-время, теория, получившая название «постквантовая теория классической гравитации», модифицирует квантовую теорию и предсказывает внутреннее нарушение предсказуемости, вызванное самим пространством-временем. Это приводит к сильным флуктуациям пространства-времени, которые превышают предусмотренные квантовой теорией. Это делает наблюдаемый вес объектов непредсказуемым, если его измерить достаточно точно.

Вторая статья, написанная под руководством профессора Оппенгейма рассматривает некоторые следствия теории и предлагает эксперимент для ее проверки: очень точно измерить массу и увидеть, колеблется ли ее вес с течением времени.

Например, Международное бюро мер и весов во Франции обычно взвешивает груз массой 1 кг, который раньше был стандартом в 1 килограмма. Если колебания в измерениях массы в 1 кг меньше, чем следует из теории Оппенгейма, ее можно считать опровергнутой.

Результат эксперимента или другие доказательства, подтверждающие квантовую и классическую природу пространства-времени, являются предметом пари с коэффициентом 5000:1 между профессором Оппенгеймом, профессором Карло Ровелли и доктором Джеффом Пенингтоном — ведущими теоретиками квантовой петлевой гравитации и теории струн.

Соавтор работы Зак Веллер-Дэвис говорит: «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».

Соавторы работы доктор Карло Спарачари и доктор Барбара Шода выразили надежду, что эксперименты смогут определить, является ли создание квантовой теории гравитации правильным подходом.

Доктор Шода говорит: «Поскольку гравитация проявляется через искривление пространства и времени, мы можем думать о вопросе с точки зрения того, является ли скорость течение времени имеет квантовую природу, или классическую природу. И проверить это почти так же просто, как проверить, является ли вес массы постоянным или колеблется определенным образом».

Доктор Спарачиари говорит: «Хотя экспериментальная концепция проста, взвешивание объекта должно выполняться с предельной точностью. Но что мне кажется интересным, так это то, что начиная с самых общих допущений, мы можем доказать четкую связь между двумя измеримыми величинами — масштабом флуктуаций пространства-времени и тем, как долго такие объекты, как атомы или яблоки, могут находиться в квантовой суперпозиции в двух разных местах. Затем мы сможем определить эти две величины экспериментально».

Веллер-Дэвис добавил: «Если квантовые частицы, такие как атомы, способны искривлять классическое пространство-время, должно существовать тонкое взаимодействие. Должен быть фундаментальный компромисс между волновой природой атомов и тем, насколько велики должны быть случайные флуктуации в пространстве-времени».

Предложение проверить, является ли пространство-время классическим, путем поиска случайных флуктуаций массы, дополняет другое экспериментальное предложение, целью которого является проверка квантовой природы пространства-времени путем поиска так называемой «гравитационно-опосредованной запутанности».

Профессор Сугато Бозе (UCL по физике и астрономии), который не участвовал в сегодняшнем объявлении, но был среди тех, кто первым предложил эксперимент по запутанности, сказал: «Эксперименты по проверке природы пространства-времени потребуют крупномасштабных усилий, но они имеют огромное значение с точки зрения понимания фундаментальных законов природы. Я считаю, что эти эксперименты вполне достижимы — эти вещи трудно предсказать, но, возможно, мы узнаем ответ в течение следующих 20 лет».

Постквантовая теория имеет последствия, выходящие за рамки гравитации. До сих пор многие физики относятся с большим сомнением к «постулату измерения» квантовой теории — фактически он утверждает, что частица буквально размазана по всему пространству-времени, но в момент измерения она мгновенно собирается в точку, где ее обнаружил наблюдатель. В новой теории этот постулат не нужен, поскольку квантовые суперпозиции постоянно локализуются посредством взаимодействия с классическим пространством-временем.

Теория началась попыткой профессора Оппенгейма решить информационную проблему черной дыры. Согласно стандартной квантовой теории, объект, попадающий в черную дыру, должен каким-то образом излучаться обратно, поскольку информация не может быть уничтожена, но это нарушает общую теорию относительности, которая гласит, что вы никогда не сможете узнать об объектах, пересекающих горизонт событий черной дыры. Новая теория допускает уничтожение информации из-за фундаментального нарушения предсказуемости.

Говорить о том, что создана «теория всего», конечно, рано, но то, что теория-кандидат на такую роль реально проверяема в эксперименте, это серьезный прорыв.