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 объединения этих теорий основана на непрочном фундаменте. Прежде всего, сингулярности отсутствуют во многих физических моделях — ни в момент Большого взрыва, ни в центрах черных дыр. Кроме того, квантовая механика рассматривает процессы, происходящие во времени, в то время как Общая теория относительности (описывающая гравитацию) оперирует временем, которое уже интегрировано в структуру пространства. Остается неясным, возможно ли вообще объединить теории, одна из которых предполагает «внешнее» время, а другая — «встроенное». Тем не менее, усилия по созданию единой теории всего продолжаются.
Физики из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) провели очередное подобное исследование и опубликовали два новые работы в Physical Review X и Nature Communications. Их гипотеза принципиально отличается от предыдущих: предполагается, что пространство-время не является квантованным, а остается классическим, как это описано в Общей теории относительности, то есть квантовая теория на него не оказывает никакого воздействия. Это позволяет избежать основных проблем, с которыми сталкивались их предшественники, а именно — попытки квантования пространства-времени приводили к нелогичным выводам о Вселенной. Поскольку квантовая механика не взаимодействует с пространством-временем, она не дает предсказаний относительно него, и, следовательно, не может содержать в них ошибок.
Вместо изменения физики пространства-времени, создатели новой гипотезы предлагают изменить квантовую механику. Ученые называют это постквантовой теорией классической гравитации. Согласно этой теории, кривизна пространства-времени может обладать значительной неопределенностью, напоминающей принцип неопределенности Гейзенберга.
По мнению исследователей, при стремлении к предельно точному определению массы крупных, видимых объектах (что связано с искривлением пространства-времени), любой измеряющий столкнется с очень большими величинами неопределенности. Необходимая точность измерений значительно превышает ту, что применяется сегодня для определения, к примеру, массы эталона 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.
Для выявления «постквантовой неопределенности» массы требуется исключительная точность измерений, поэтому предложенная гипотеза не оказывает влияния на космологию и астрофизику, поскольку в этих областях невозможно достичь необходимого уровня точности при определении массы. Однако для эталона килограмма такие измерения принципиально осуществимы, хотя и потребуют разработки высокоточных лабораторных приборов, имитирующих «весы».
В ходе второго исследования авторы также предложили аналогичный эксперимент и констатировали, что имеющиеся инструменты не обладают достаточной точностью для подтверждения или опровержения выдвинутой гипотезы, поскольку экспериментальная установка еще не была создана.
Несмотря на это, технологические достижения делают возможным проведение подобного экспериментального исследования 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.
Данная гипотеза также объясняет проблему исчезновения информации в черных дырах. Согласно ей, информация может быть уничтожена в результате случайных колебаний, затрагивающих не только квантовомеханические явления, но и крупные объекты.