По новой теории квантовой гравитации масса объектов не является абсолютно фиксированной.

Новости МирТесен

Объединение квантовой теории и гравитации представляло собой сложную задачу на протяжении десятилетий. Новая модель такого объединения выглядит более перспективной по сравнению с предыдущими, однако она делает прогнозы, которые сложно принять: она устраняет определенность массы любого объекта во Вселенной.

На протяжении последних десятилетий физики активно работают над разработкой теории, которая бы объединила квантовую механику, описывающую мир атомов и субатомных частиц, и гравитацию, объясняющую поведение объектов гораздо большего размера. Предполагается, что подобная теория способна разрешить ряд нерешенных вопросов, возникающих как в гравитационных моделях (например, сингулярности в момент Большого взрыва или космологическая постоянная), так и в квантовой механике.

Несмотря на это, попытки совместного применения на практике сталкивались с неожиданными результатами. К примеру космологическую постоянную попробовали вывести из квантовой механики, у нее получилась величина, отличающаяся от наблюдаемой астрономами на 120 порядков, — «худшее предсказание в истории науки», как его называют сами физики.

Некоторые исследователи утверждают, что концепция слияния этих подходов базируется на ненадежной основе. Прежде всего, сингулярность отсутствует во многих физических моделях – ни в момент возникновения Вселенной, ни в области центров черных дыр. Кроме того, квантовая механика рассматривает процессы, происходящие во времени, тогда как Общая теория относительности (описывающая гравитацию) предполагает наличие времени, уже интегрированного в структуру пространства. Возникает вопрос о возможности принципиального объединения теорий, где время выступает либо внешней переменной, либо является частью пространственной структуры. Тем не менее, стремление к созданию универсальной теории всего продолжает существовать.

Физики из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) провели очередное подобное исследование и опубликовали два новые работы в Physical Review X и Nature Communications. Их предположение существенно отличается от предыдущих: оно предполагает, что пространство-время является непрерывным и классическим, как это описано в Общей теории относительности, то есть квантовые эффекты на него не оказывают воздействия. Это позволяет избежать основных трудностей предшествующих подходов – попыток «квантования» пространства-времени часто приводили к абсурдным выводам о Вселенной. Поскольку квантовая механика не взаимодействует с пространством-временем, она также не делает никаких предсказаний относительно него и, следовательно, избегает связанных с ними ошибок.

Вместо изменения физики пространства-времени авторы новой гипотезы предложили внести коррективы в саму квантовую механику. Ученые назвали это постквантовой теорией классической гравитации. В рамках этой теории предполагается, что искривление пространства может характеризоваться значительной неопределенностью, напоминающей принцип неопределённости Гейзенберга.

Ученые предполагают, что при стремлении к предельно аккуратной оценке веса крупных физических предметов (на которые влияет искривление пространства-времени), любой экспериментатор столкнется с колоссальными погрешностями. Предполагается достижение значительно более высокой степени точности по сравнению с тем уровнем, который применяется сегодня для определения массы стандартного килограмма.

Ученые во второй работе показали, неизбежно, результаты таких измерений, выполненных в разное время, будут существенно отличаться. Суть новой гипотезы заключается в том, что масса любого объекта не является постоянной, а наше восприятие постоянства массы обусловлено ограниченной точностью используемых методов измерения.

Поскольку для выявления столь же «постквантовой неопределенности» веса требуется исключительная аккуратность, предложенная гипотеза никак не влияет на космологию и астрофизику. В этих областях просто нет необходимой точности при определении массы объектов, чтобы проявились подобные отклонения. Тем не менее, для эталона килограмма такие измерения принципиально осуществимы, хотя и потребуют разработки специализированных высокоточных лабораторных измерительных устройств.

В рамках второго исследования авторы предложили аналогичный эксперимент и констатировали, что существующие инструменты (до создания необходимого экспериментального комплекса) пока не обладают достаточной точностью для подтверждения или опровержения выдвинутой гипотезы.

Несмотря на это, технологический прогресс открывает возможность проведения подобного экспериментального теста в ближайшие годы.

Профессор Джонатан Оппенгейм, автор новой гипотезы, заключил пари с высоким риском (коэффициент 5000 к 1) на то, что эксперимент подтвердит его идею. Эта ставка зафиксирована по ссылке, и ее приняли Карло Ровелли и Джефф Пенингтон, придерживающиеся иных подходов к квантовой гравитации: Ровелли является сторонником петлевой квантовой гравитации, а Пенингтон — струнной теории.

Значительным преимуществом новой гипотезы является её проверяемость, в отличие от струнной теории. Современные разработки теории струн, представляющей собой ещё один подход к объединению квантовой механики и гравитации, по сути, не поддаются экспериментальной проверке и не могут быть подтверждены наблюдениями (или, точнее, создание необходимых для этого инструментов представляется невозможным в ближайшей перспективе). Подобное же замечание применимо к ряду современных гипотез петлевой квантовой гравитации. Непроверяемые теории не способствуют существенному расширению научного знания: даже если они оказываются верными, отсутствие наблюдаемых физических последствий не позволяет использовать их для предсказаний. Однако, экспериментальная проверка гипотезы Оппенгейма может потребовать значительного времени, поскольку организация необходимых измерений хоть и осуществима, но представляет собой сложную техническую задачу.

Еще одним достоинством этой теории является ее способность объяснить проблему «потери информации» в черных дырах, предполагая возможность уничтожения данных посредством случайных колебаний, затрагивающих как квантовые процессы, так и крупные объекты.