Новая теория всего: союз гравитации и квантовой физики

Представьте: две фундаментальные теории, на которых держится наше понимание мира, никак не хотят уживаться. Квантовая механика управляет миром частиц, а общая теория относительности красиво объясняет гравитацию через искривление пространства-времени. Но вместе они — как кошка с собакой. Более ста лет учёные пытались «квантовать» гравитацию, подгоняя эйнштейновскую теорию под квантовые рамки. Что из этого вышло? Теория струн и петлевая квантовая гравитация — грандиозные, но пока что чисто математические конструкции.

Профессор Джонатан Оппенгейм и его команда решили пойти от обратного. А что, если мы ошибаемся с самого начала? Может, пространство-время на самом деле классическое, а подправлять нужно квантовую теорию? Звучит еретически, правда? Их «постквантовая теория классической гравитации» утверждает: само пространство-время вносит в систему непредсказуемость. Оно неистово флуктуирует, причём сильнее, чем допускают законы квантового мира. И если мы возьмём и очень точно измерим массу какого-нибудь объекта, его вес окажется непредсказуемым — будет немного «прыгать».

Проверка на килограмме

А теперь самое вкусное. Вторая статья команды Оппенгейма посвящена тому, как эту безумную идею проверить на практике. Нужно всего-то… взвесить что-нибудь с невероятной точностью. И следить, колеблется ли масса со временем. Просто, как всё гениальное.

Где это можно сделать? Да хотя бы в Международном бюро мер и весов во Франции. У них там хранится эталонный килограмм. Если его масса будет «дрожать» сильнее, чем предсказывает теория Оппенгейма, — теория подтвердится. Если колебания будут меньше — можно отправлять её в утиль. На кону даже заключено пари с коэффициентом 5000 к 1 между Оппенгеймом и двумя светилами конкурирующих подходов — Карло Ровелли (петлевая квантовая гравитация) и Джеффом Пенингтоном (теория струн). Ставки сделаны, господа!

«Мы показали: если пространство-время классическое, то кривизна пространства-времени должна флуктуировать особым, проверяемым образом», — поясняет соавтор Закари Веллер-Дэвис. Идея проста до безобразия: либо время течёт по классическим законам, либо оно квантовое. И узнать это почти так же просто, как проверить, не меняется ли вес гирьки на ваших напольных весах. Хотя, конечно, «просто» — это сильно сказано. Точность измерений должна быть запредельной.

Что общего у атома и яблока?

«Самое интересное для меня, — делится соавтор Карло Спарачари, — что из самых общих предположений мы выводим чёткую связь между двумя измеримыми вещами: силой флуктуаций пространства-времени и тем, как долго объект — будь то атом или, простите, яблоко — может находиться в квантовой суперпозиции в двух местах сразу. И обе эти величины мы можем измерить».

Это грандиозно. Представьте: если квантовые частицы могут искривлять классическое пространство-время, между их волновой природой и случайными «дрожаниями» самого пространства должен быть фундаментальный компромисс. Трещина в самой ткани реальности, которую можно засечь.

Кстати, этот эксперимент — не единственный в поле. Есть и другой способ: искать так называемую «гравитационно-опосредованную запутанность». Профессор Сугато Бозе, не участвовавший в работе, но предложивший тот самый эксперимент с запутанностью, настроен оптимистично: «Эти эксперименты потребуют огромных усилий, но они откроют нам фундаментальные законы природы. Возможно, мы получим ответ в ближайшие 20 лет». Звучит как обещание из будущего, не находите?

Черные дыры и конец неопределенности

Последствия новой теории выходят далеко за рамки гравитации. Она может решить одну из самых болезненных головоломок квантовой механики — пресловутый «постулат измерения». Тот самый, который говорит, что частица размазана по всему пространству, но в момент измерения магическим образом «схлопывается» в точку. Многим физикам это всегда казалось… ну, не очень изящным. В теории Оппенгейма этот постулат не нужен: квантовые суперпозиции постоянно «локализуются» сами собой, просто взаимодействуя с классическим пространством-временем. Красиво, правда?

А началось всё с попытки решить проблему информации в чёрной дыре. По квантовой теории, информация не исчезает, а значит, всё, что падает в чёрную дыру, должно как-то излучаться обратно. Но общая теория относительности с этим категорически не согласна. Новый подход допускает, что информация может уничтожаться из-за той самой фундаментальной непредсказуемости, которую вносит пространство-время. Элегантный выход из тупика.

Рано кричать, что мы нашли «теорию всего». Но то, что у нас появился реальный, проверяемый кандидат на эту роль — это уже огромный шаг вперёд. Теория, которую можно не только обсуждать за кружкой пива, но и пощупать в лаборатории. Разве не ради этого мы занимаемся наукой?