Одна из величайших загадок современной науки заключается в том, как объединить две всеобъемлющие теории физики – квантовую механику и общую теорию относительности. Если бы физики смогли каким-то образом объединить эти две теории, которые в настоящее время плохо сочетаются друг с другом, мы могли бы прийти к более глубокой “единой теории, которая будет управлять ими всеми”.
Квантовая механика, по сути, утверждает, что мы живем не в классической вселенной. Классическая физика в том виде, в каком она работает в макроскопическом масштабе, – это всего лишь поверхностный уровень, конечный результат квантовой вселенной в почти атомном и меньшем масштабе. На квантовом уровне (не путать с квантовой фантастикой Marvel – не заставляйте меня начинать) реальность квантована и вероятностна. Вещи, которые кажутся волшебными на макроуровне, на самом деле являются реальностью на квантовом уровне, например, корпускулярно-волновой дуализм и запутанность.
Общая теория относительности, скорее, имеет дело со сверхбольшим пространством-временем как таковым. Эйнштейн постулировал, что гравитация является результатом искривления пространства-времени. Свободно движущиеся объекты на самом деле всегда движутся по прямой, но через искривленное пространство. Масса искривляет пространство, и именно так масса создает гравитацию. Таково, по крайней мере, разумное понимание этих концепций неспециалистом.
И квантовая механика, и общая теория относительности, несмотря на то, что они могут показаться нелогичными, являются исключительно успешными теориями. Они отлично предсказывают результаты экспериментов, и сейчас у нас есть около столетия исследований, которые активно пытаются опровергнуть эти теории (чтобы выйти за их рамки), но не могут этого сделать. Они являются одними из самых успешных научных теорий из существующих. За исключением того, что никто не может понять, как заставить их работать вместе. Как действует гравитация на квантовом уровне? Как ведет себя Вселенная, когда важны как квантовые, так и релятивистские эффекты? Это имеет значение для полного понимания таких явлений, как черные дыры, и того, возможна ли антигравитация.
В настоящее время существуют две основные теории, пытающиеся объединить квантовую механику и общую теорию относительности – петлевая квантовая гравитация и теория струн. Эти две группы были соперниками в физическом сообществе, и ни одна из них не смогла подняться до уровня доминирования. В основе своей они представляют собой математические конструкции, при этом LQG рассматривает пространство-время в квантовом масштабе как крошечные петли, в то время как теория струн рассматривает точечные частицы как вибрирующие струны. Обе математические конструкции достигли прогресса в разработке своего внутреннего устройства, но ни одна из них не смогла провести эксперименты, которые показали бы, что одна теория верна, а другая ошибочна.
Теперь у нас есть третий участник в этой области – “постквантовая теория классической гравитации”. Это было представлено в двух недавних статьях. Идея здесь в том, что пространство-время и гравитация на самом деле являются классическими, а не квантованными. Скорее, это попытка объединить две теории путем модификации квантовой механики. Теория “модифицирует квантовую теорию и предсказывает внутреннее нарушение предсказуемости, которое обусловлено самим пространством-временем”.
Хорошо то, что, по-видимому, существуют способы проверить, квантуется ли гравитация. Если это так, то постквантовая теория исключается. Если это не квантовано, то петлевая квантовая гравитация и теория струн исключаются. Это не то же самое, что доказать правильность любой теории, но это только начало. Один из авторов статьи, Оппенгейм, сказал:
“Квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна математически несовместимы друг с другом, поэтому важно понять, как разрешается это противоречие. Следует ли квантовать пространство-время, или нам следует модифицировать квантовую теорию, или это что-то совсем другое? Теперь, когда у нас есть непротиворечивая фундаментальная теория, в которой пространство-время не квантуется, остается только гадать”.
Есть два предложенных способа проверить постквантовую теорию. Первый связан с величиной флуктуаций в пространстве-времени. Как квантованная, так и неквантованная теории предсказывают, что пространство-время должно быть кипящим морем случайных флуктуаций, но они различаются масштабом этих флуктуаций. Если они меньше определенного размера, постквантовая теория исключается. Однако для этого необходимо несколько раз точно измерить массу, чтобы увидеть, не находится ли она в пределах наших возможностей измерения. Один из проектов работает над этим экспериментом.
Другой способ проверить теорию – определить, как долго крупные частицы могут находиться в суперпозиции. Экспериментально атомные и субатомные частицы могут находиться в состоянии, когда они находятся в двух разных местах одновременно. Согласно квантовой механике, это справедливо даже для гораздо более крупных объектов, даже макроскопических, но продолжительность действия уменьшается с увеличением размера. В макроскопическом масштабе этим можно пренебречь, поэтому Вселенная выглядит классической макроскопически. Постквантовая теория предсказывает более длительное время суперпозиции для более крупных частиц, так что, опять же, это можно использовать для экспериментального подтверждения теории.
Авторы этой теории считают, что потребуется около 20 лет, чтобы провести эксперименты, обладающие точностью, необходимой для проверки этой новой теории. Конечно, мы не узнаем, пока это не произойдет. Но мне нравится тот факт, что постквантовая теория предлагает конкретные способы ее опровержения.
