Радикальная новая теория может, наконец, объединить две крупнейшие концепции физики
Некоторые виды вражды настолько сильны, что их невозможно разрешить. Бетт и Джоан. Бэтмен и Джокер. Гамильтон и Берр.
Начало казалось, что в этот список войдут общая теория относительности и квантовая теория, две математические концепции описания Вселенной, которые просто невозможно соединить вместе.
Но в новой статье физик Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона утверждает, что нашел способ разрешить эти разногласия.
И ситуация становится лучше: во второй статье предлагается способ проверить это экспериментально.
«Квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна математически несовместимы друг с другом, поэтому важно понять, как разрешается это противоречие», — объясняет Оппенгейм.
«Если пространство-время квантовать, или нам следует изменить квантовую теорию, или это что-то совершенно другое?»
Вселенная не ведет себя единым образом в разных масштабах, и у нас есть разные инструменты для ее исследования и описания. Общая теория относительности — это теория, описывающая гравитационные взаимодействия в крупномасштабной физической Вселенной и основанная на том, как гравитация искривляет пространство-время.
Её можно использовать для предсказаний относительно Вселенной; Общая теория относительности предсказала гравитационные волны, гравитационное линзирование и некоторое поведение черных дыр.
На гораздо меньших масштабах – атомных и субатомных – гравитация не работает так, как в теории относительности. Для описания поведения и взаимодействия материи необходим другой набор правил. Это квантовая теория.
На протяжении десятилетий физики пытались выяснить, как заставить два набора правил работать вместе. Области теории относительности и квантовой теории взаимодействуют в реальном мире, но ученые не смогли понять, как именно.
В настоящее время считается, что гравитацию можно каким-то образом описать с помощью квантовой теории или квантовать. Это лежит в основе таких теорий, как теория струн и теория квантовой петли.
Но в своей статье Оппенгейм предлагает совершенно другую альтернативу. Что, если пространство-время невозможно квантовать, потому что оно полностью подчиняется классической физике?
Представьте, что реальность — это экран вашего компьютера или телефона. Вы можете ясно видеть общую картину, но если вы воспользуетесь лупой на экране, вы увидите, что она состоит из крошечных единиц.
В соответствии с квантовой теорией, это Вселенная. Если вы увеличите масштаб достаточно сильно, он будет состоять из мельчайших базовых единиц или квантов, подобных пикселям на вашем экране. Если пространство-время не является квантовым, не имеет значения, насколько сильно вы увеличиваете масштаб; оно всегда будет гладким.
Однако согласно теории Оппенгейма пространство-время не просто будет гладким, оно станет своего рода шатким и непредсказуемым.
Вот тут-то это и становится проверяемым. . Это колебание приведет к флуктуациям измеримых свойств, которые будут больше, чем флуктуации, предсказанные квантовой теорией.
При правильном эксперименте физики смогут обнаружить эти флуктуации.
«Мы показали, что если пространство-время не имеет квантовой природы, то должны существовать случайные флуктуации кривизны пространства-времени, которые имеют определенную сигнатуру это можно проверить экспериментально», — говорит физик Зак Веллер-Дэвис из Университетского колледжа Лондона.
«И в квантовой гравитации, и в классической гравитации пространство-время должно претерпевать сильные и случайные колебания повсюду вокруг нас, но на масштаб, который мы еще не смогли обнаружить. Но если пространство-время является классическим, флуктуации должны быть больше определенного масштаба, и этот масштаб можно определить с помощью другого эксперимента, в котором мы проверим, как долго мы можем положить тяжелый атом находится в суперпозиции, находясь в двух разных местах».
Теперь проблема теории относительности и квантовой механики является большой. Решение этой проблемы потребует абсолютно экстраординарных доказательств, а мы очень далеки от этого.
И теория Оппенгейма, безусловно, имеет сопротивление внутри научного сообщества.
На самом деле, коллеги-физики Карло Ровелли и Джефф Пенингтон настолько уверены в том, что квантовая теория может описать гравитацию, что подписали пари против Оппенгейма с коэффициентом 5000:1.
Карло предложил подарить мне 5000 цветных шаров, чтобы я мог играть в базингу: https://t.co/teDCXmj9w4, и если он выиграет, я отдам ему один красный шарик. Но я не играю в базингу, и мои предложения его, похоже, не интересуют: 50 мл оливкового масла или вина? .00002 биткойна? пакет чипсов? Мой дом? 2/
— Джонатан Оппенгейм (@postquantum) 21 января 2021 г.
Но даже ничего не обнаруженное в эксперименте может сказать нам что-то важное, поэтому, как бы ни повернулся эксперимент вне, мы можем узнать из него что-то интересное и ценное.
«Эксперименты по проверке природы пространства-времени потребуют масштабных усилий, но они имеют огромное значение с точки зрения понимания природы пространства-времени. фундаментальные законы природы», — говорит физик Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона, который не участвовал в написании этих статей.
«Я верю, что эти эксперименты вполне достижимы — такие вещи трудно предсказать, но, возможно, мы» Я узнаю ответ в течение следующих 20 лет».
Теория Оппенгейма была опубликована в Physical Review X. Эксперимент, предназначенный для ее проверки, описан в Nature Communications. р>
