Новое измерение квантового пространства-времени ничего не обнаружило

В мельчайших единицах измерения пространства и времени во Вселенной происходит немногое. В ходе нового поиска квантовых флуктуаций пространства-времени на планковских масштабах физики ничего не обнаружили.

Это означает, что на данный момент — мы все еще не можем найти способ разрешить общую теорию относительности с помощью квантовой механики.

Это одна из самых неприятных проблем в нашем понимании Вселенной.

Общая теория относительности — описывает гравитационные взаимодействия в крупномасштабной физической Вселенной. Ее можно использовать для изучения Вселенной; Общая теория относительности предсказала, например, гравитационные волны и поведение черных дыр.

Пространство-время в рамках теории относительности следует тому, что мы называем принципом локальности, то есть на объекты непосредственно влияет их окружение в пространстве и времени.

В квантовом мире — на атомном и субатомном уровнях — общая теория относительности не работает, и квантовая механика берет верх. Ничего в квантовой сфере не происходит в определенном месте или в определенное время, пока это не будет измерено, и части квантовой системы, разделенные пространством или временем, все еще могут взаимодействовать друг с другом, явление, известное как нелокальность.

Каким-то образом, несмотря на свои различия, общая теория относительности и квантовая механика существуют и взаимодействуют. Но до сих пор устранение различий между ними оказывается чрезвычайно трудным.

Здесь в игру вступает Holometer из Фермилаб — проект, возглавляемый астрономом и физиком Крейгом Хоганом из Чикагского университета. Это прибор, предназначенный для обнаружения квантовых флуктуаций пространства-времени в минимально возможных единицах — планковской длине 10^-33 сантиметра и планковском времени — времени, которое требуется свету, чтобы пройти планковскую длину.

Он состоит из двух идентичных 40-метровых интерферометров, которые пересекаются в светоделителе. Лазер излучает на разделитель и направляется вниз двумя плечами к двум зеркалам, чтобы отразиться обратно в разделитель луча для рекомбинации. Любые флуктуации в масштабе Планка будут означать, что возвращаемый луч отличается от луча, который был испущен.

Несколько лет назад Holometer обнаружил нулевое квантовое дрожание в пространстве-времени. Это предполагает, что само пространство-время в том виде, в каком мы можем его в настоящее время измерить, не квантовано; то есть может быть разбито на дискретные, неделимые единицы или кванты.

Поскольку плечи интерферометра были прямыми, он не мог обнаруживать другие виды колебательного движения, например, если бы колебания были вращательными. И это могло иметь большое значение.

«В общей теории относительности вращающаяся материя увлекает за собой пространство-время. В присутствии вращающейся массы локальная не вращающаяся система, измеряемая гироскопом, вращается относительно далекой Вселенной, измеряемой далекими звездами», — писал Хоган.

«Вполне может быть, что квантовое пространство-время имеет неопределенность планковского масштаба в локальной системе отсчета, что приведет к случайным вращательным флуктуациям или поворотам, которые мы не обнаружили бы в нашем первом эксперименте, и слишком малым, чтобы их можно было обнаружить в нормальных условиях».

Итак, команда переработала инструмент. Они добавили дополнительные зеркала, чтобы они могли обнаруживать любое вращательное квантовое движение. Результатом стал невероятно чувствительный гироскоп, который может обнаруживать вращательные повороты в планковском масштабе, меняющие направление миллион раз в секунду.

За пять сеансов наблюдений с апреля 2017 года по август 2019 года команда собрала 1098 часов данных временных рядов с двойным интерферометром. За все это время не было ни единого дрожания. Насколько нам известно, пространство-время по-прежнему является континуумом.

Но это не значит, что Holometer, как полагают некоторые ученые, — пустая трата времени. Нет другого подобного инструмента в мире. Результаты, которые он возвращает — нулевые или нет — будут определять будущие усилия по исследованию пересечения теории относительности и квантовой механики на планковских масштабах.

«Возможно, мы никогда не поймем, как работает квантовое пространство-время, без каких-либо измерений», — сказал Хоган. «Программа Holometer является исследовательской. Наш эксперимент начался только с теорий, которыми мы руководствовались в его разработке, и у нас до сих пор нет уникального способа интерпретировать наши нулевые результаты, поскольку нет строгой теории того, что мы ищем».

«Неужели дрожь немного меньше, чем мы предполагали? Новые технологии сделают будущие эксперименты лучше и дадут нам некоторые подсказки как пространство и время возникают из более глубокой квантовой системы».

Исследование опубликовано arXiv.

Источники: Фото: Лазерный интерферометр Holometer. (Фермилаб)