Что такое квантовая гравитация и почему она считается самой сложной проблемой в физике?
Когда слово «гравитация» приходит нам в голову, мы думаем о планетах, вращающихся вокруг своих звезд, о гравитационном взаимодействии между массивными галактиками, гигантской гравитационной силе, которой обладают нейтронные звезды, черные дыры и т.д. Но как насчет крошечных мелких частиц, существующих в нашей Вселенной? А как насчет микроскопического квантового мира? Знают ли они и испытывают гравитацию так же, как мы? Или у них все по-другому? Что ж, чтобы найти ответы на все эти вопросы, возникла теория «квантовой гравитации».
Так что же такое квантовая гравитация? Зачем она нужна? Давайте углубимся, чтобы ответить на эти вопросы!
Зачем нам нужна квантовая теория гравитации?
Около века назад Альберт Эйнштейн предложил свою Общую Теорию Относительности и отбросил давно существовавшее понятие ньютоновской гравитации простого притяжения между объектами с описанием материи или энергии, искривляющей пространство и время вокруг нее. Несомненно, общая теория относительности успешно прошла все испытания, которые ей бросали снова и снова, и полностью объясняет гравитационное взаимодействие в макроскопическом масштабе. Но когда физики пытаются вычислить кривизну пространства вокруг электрона или других таких небольших объектов, математика становится невозможной.
Искривление пространства-времени вокруг массивных объектов, как это объясняется в общей теории относительности Эйнштейна.
Более того, на расстояниях, очень близких к центру черных дыр, которые меньше планковской длины, квантовые флуктуации пространства-времени играют важную роль. Итак, когда кто-то пытается очертить гравитационное поле черной дыры в общей теории относительности, кривизна пространства-времени расходится в центре, тем самым сигнализируя о крахе общей теории относительности и намекая на необходимость теории, которая выходит за рамки общей теории относительности, а также учитывает квантовые эффекты.
Гравитоны и теория всего
За исключением гравитации, три фундаментальные силы уже, как известно, следуют этим законам квантовой механики и имеют связанный с ними носитель силы. Следовательно, их достоверность в квантовом мире не вызывает сомнений. Что касается силы тяжести, то здесь все по-другому, поскольку общая относительность полностью основана на классических рамках. Со временем физики связали гипотетический носитель силы с гравитацией, и этот гипотетический квант силы тяжести и есть то, что мы называем гравитоном.
Если однажды гипотетический статус гравитона изменится на реальный, это докажет, что гравитация также хорошо вписывается в квантовую механику, что в конечном итоге приблизит ученых к гигантскому скачку «теории всего».
Различные теории квантовой гравитации
За прошедшие годы было выдвинуто несколько подходов к объяснению квантовой гравитации, и, следовательно, было предложено несколько теорий кандидатов. Наиболее известными подходами в этом контексте являются теория струн, каноническая теория квантования, петлевая квантовая теория, евклидовая квантовая теория, а последним является квантовая гравитационная теория, основанная на квантовых вычислениях.
Несомненно, теории квантовой гравитации сталкиваются с множеством проблем, поскольку их экспериментальное подтверждение связано с ограниченностью ресурсов. Однако многие надеются, что теория квантовой гравитации однажды позволит нам понять проблемы очень высоких энергий и минимальных размеров пространства, таких как поведение черных дыр, происхождение Вселенной и многое другое. А пока продолжайте исследовать! Никогда не знаешь, что когда-нибудь ты станешь тем, кто получит Нобелевскую премию за какой-нибудь прорыв в области квантовой гравитации!
ТЕОРИЯ КВАНТОВОЙ ГРАВИТАЦИИ в помощь пишущих про путешествия во времени.
И все же существует много вопросов, ответов на которые у нас пока нет. Квантовая гравитация могла бы помочь их найти. Мы знаем, что общая теория относительности неполна. Она хорошо проявляет себя, когда квантовые эффекты пространства-времени совсем незаметны, а это почти всегда. Но когда квантовые эффекты пространства-времени становятся большими, нам нужна теория получше: теория квантовой гравитации.
Иллюстрация ранней Вселенной, состоящей из квантовой пены, когда квантовые флуктуации были огромными и проявлялись на мельчайших масштабах
Поскольку мы пока не составили теорию квантовой гравитации, мы не знаем, что такое пространство и время. У нас есть несколько подходящих теорий для квантовой гравитации, но ни одна из них не принята широко. Тем не менее, исходя из существующих подходов, мы можем предположить, что может произойти с пространством и временем в теории квантовой гравитации. Физик Сабина Хоссфендер собрала десять поразительных примеров.
ПРИМЕРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ КВАНТОВОЙ ГРАВИТАЦИИ
1) В квантовой гравитации в пространстве-времени будут дикие флуктуации даже в отсутствие вещества. В квантовом мире вакуум никогда не пребывает в состоянии покоя, равно как и пространство и время. На самых малых квантовых масштабах Вселенная может быть заполнена крошечными микроскопическими черными дырами с малыми массами. Эти дыры могут соединяться или расширяться внутрь в весьма интересной манере
2) Квантовое пространство-время может быть заполнено микроскопическими черными дырами. Более того, в нем могут быть червоточины или рождаться младенческие вселенные – как маленькие пузырьки, которые отрываются от материнской вселенной.
3) B поскольку это квантовая теория, пространство-время может делать все это одновременно. Оно может одновременно создавать младенческую вселенную и не создавать ее. Ткань пространства-времени может быть вовсе не тканью, а состоять из дискретных компонентов, которые лишь кажутся нам непрерывной тканью на больших макроскопических масштабах.
4) В большинстве подходов к квантовой гравитации, пространство-время не фундаментально, а состоит из чего-то еще. Это могут быть струны, петли, кубиты или варианты «атомов» пространства-времени, которые появляются в подходах с конденсированной материей. Отдельные составляющие можно разобрать лишь с применением высочайших энергий, намного превышающих те, что доступны нам на Земле.
5) В некоторых подходах с конденсированной материей пространство-время обладает свойствами твердого или жидкого тела, то есть может быть эластичным или вязким. Если это действительно так, неизбежны наблюдаемые последствия. Физики в настоящее время ищут следы подобных эффектов в странствующих частицах, то есть в свете или электронах, которые добираются к нам из далекого космоса.
Схематическая анимация непрерывного луча света, рассеиваемого призмой. В некоторых подходах к квантовой гравитации пространство может выступать как дисперсионная среда для различных длин волн света
6) Пространство-время может влиять на то, как свет через него проходит. Оно может не быть полностью прозрачным, либо же свет разных цветов может двигаться с разной скоростью. Если квантовое пространство-время влияет на распространение света, это тоже можно будет наблюдать в будущих экспериментах.
7) Флуктуации пространства-времени могут разрушать способность света от удаленных источников создавать интерференционные картины. Этот эффект искали и не нашли, по крайней мере в видимом диапазоне.
Свет, проходящий через две толстые щели (сверху), две тонкие щели (в центре) или одну толстую щель (снизу), демонстрирует интерференцию, указывающую на его волновую природу. Но в квантовой гравитации некоторые ожидаемые интерференционные свойства могут быть невозможны
8) В областях сильной кривизны время может превращаться в пространство. Это может происходить, например, внутри черных дыр или при большом взрыве. В таком случае известное нам пространство-время с тремя пространственными и измерениями и одним временным может превращаться в четырехмерное «евклидово» пространство.
Соединение двух разных мест в пространстве или времени через червоточину остается лишь теоретической идеей, но она может быть не просто интересной, но и неизбежной в квантовой гравитации
9) Пространство-время может быть нелокально связано с крошечными червоточинами, пронизывающими всю вселенную. Такие нелокальные соединения должны существовать во всех подходах, чья базовая структура не является геометрической вроде графа или сети. Это связано с тем, что в таких случаях понятие «близости» будет не фундаментальным, а вытекающим и несовершенным, так что удаленные области могут быть случайно связанными.
10) Возможно, чтобы объединить квантовую теорию с гравитацией, нам нужно обновить не гравитацию, а саму квантовую теорию. Если это так, последствия будут далеко идущими. Поскольку квантовая теория лежит в основе всех электронных устройств, ее пересмотр откроет совершенно новые возможности. Хотя квантовая гравитация часто рассматривается как сугубо теоретическая идея, существует множество возможностей для проведения экспериментальной проверки. Все мы путешествуем через пространство-время каждый день. Его понимание может изменить нашу жизнь.
Было ли у Вселенной начало?
Мы не так часто об этом задумываемся и все же, было ли у Вселенной начало? Согласно ведущей космологической теории, наша Вселенная родилась в результате Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется с ускорением. Но не все исследователи полагают, что в действительности дело было именно так. Профессор Ливерпульского университета в Великобритании, физик Бруно Бенто считает, что никакого начала Вселенной не было. Возможно, то, что мы называем Вселенной, существовало всегда – и новая теория квантовой гравитации, кажется, может объяснить почему. В ходе работы Бенто и его коллеги использовали новую теорию под названием теория причинных множеств, согласно которой пространство и время разбиты на дискретные фрагменты. На каком-то уровне, как отмечают исследователи, существует фундаментальная единица пространства-времени. Используя новый подход, основанный на причинно-следственных связях, физики обнаружили, что у Вселенной, вполне возможно, не было начала: она существовала всегда, в бесконечном прошлом и лишь недавно превратилась в то, что мы называем Большим взрывом.
Квантовая гравитация, пожалуй, самая неприятная проблема, с которой сталкивается современная физика. У нас есть две чрезвычайно эффективные теории Вселенной: квантовая физика и общая теория относительности.
Главная сила природы
Гравитация, как известно, является генеральным директором космоса, повелителем Вселенной, если хотите. Именно эта сила позволяет звездам и планетам вращаться по орбите, а черным дырам поглощать любые объекты, что оказались поблизости. Благодаря гравитации яблоко упало на голову Исаака Ньютона, а мы с вами не улетаем в небо, стоит нам оторваться от земли.
Будучи фундаментальной силой Вселенной гравитация – в нашем, человеческом понимании – объясняет как движутся небесные тела, а также является главенствующей силой на Земле. Однако, если Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) прекрасно справляется с описанием мира, видимого невооруженным глазом, она, увы, не в полной мере описывает законы, по которым существует таинственный и невидимый мир атомов и частиц. Этот удивительный мир описывает квантовая механика.
Квантовая механика описывает то, как взаимодействуют друг с другом элементарные частицы.
Но так как мы не видим взаимодействия элементарных частиц, нам кажется странным, что квантовый мир так сильно отличается от знакомых объектов (хотя объекты эти целиком и полностью состоят из этих самых частиц).
Так что когда мы смотрим за пределы Земли, на Вселенную, которая намного шире, и начинаем рассматривать большие явления, отложить квантовую физику в сторону не получится.
Квантовая физика подарила миру успешное описание трех из четырех фундаментальных сил природы (электромагнетизма, слабого взаимодействия и сильного взаимодействия) вплоть до микроскопических масштабов. А Общая теория относительности является самым мощным и полным описанием гравитации, когда-либо разработанным.
Наш мир намного больше и сложнее, чем мы можем себе представить. Но шанс разгадать фундаментальные тайны Вселенной у нас есть.
Но вернемся к гравитации. Она, как мы уже говорили выше, не вписывается в квантовый мир. И даже в работе Эйнштейна уравнения поля для гравитации не проквантованы. Хотя большинство физиков убеждены, что должен быть какой-то способ объединения гравитации с тремя фундаментальными силами, квантовыми по своей сущности, он по-прежнему представляется трудным для понимания.
Альберт Эйнштейн потратил большую часть последних 30 лет своей жизни на поиск способа сближения гравитации с другими силами, но ему это не удалось.
Таким образом, квантовая гравитация – это общий термин для теорий, которые пытаются объединить гравитацию с другими фундаментальными силами физики (которые уже объединены вместе). Обычно она предполагает существование теоретической виртуальной частицы – гравитона, который опосредует гравитационную силу.
Интересно, что именно наличие гравитона отличает квантовую гравитацию от некоторых других объединенных теорий поля. И все же вынуждены отметить, что ряд существующих теорий наличия гравитона не требуют.
Теория квантовой гравитации
Ожидается, что гравитон не будет обладать массой (так как действует мгновенно на больших расстояниях), однако, основная проблема экспериментальной проверки любой теории квантовой гравитации заключается в том, что уровни энергии, необходимые для наблюдения гипотез, недостижимы в современных лабораторных экспериментах.
Ткань пространства-времени искривляется массой Солнца
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш канал на платформе Пульс от Mail.ru! Так вы точно не пропустите ничего интересного!
Предположения квантовой гравитации, как правило, заключаются в том, что такая теория окажется одновременно простой и элегантной. По крайней мере в двух конкретных местах во Вселенной, где математика общей теории относительности просто ломается и невозможно получить надежных результатов: в центрах черных дыр и в начале Вселенной.
Эти области называются «сингулярностями» – точками в пространстве-времени, где рушатся знакомые нам законы физики. По сути, сингулярность – это математическое предупреждение о том, что ОТО Эйнштейна спотыкается о саму себя. В обеих этих сингулярностях гравитация становится невероятно сильной в очень малых масштабах.
Но как разгадать тайну сингулярности? Для начала, физикам нужна теория квантовой гравитации. На самом деле на ее роль существует множество претендентов, включая теорию струн и теорию петлевой квантовой гравитации, подробнее о которой мы рассказывали здесь. Но есть еще один подход, который полностью переписывает наше понимание пространства и времени.
Теория причинных множеств
Во всех современных теориях пространство и время непрерывны. Они образуют гладкую ткань, которая лежит в основе всей реальности. В таком непрерывном пространстве-времени две точки могут находиться как можно ближе друг к другу в пространстве, и два события могут произойти как можно ближе друг к другу во времени.
Но другой подход, называемый теорией причинных множеств, переосмысливает пространство-время как серию дискретных фрагментов, или «атомов» пространства-времени. Эта теория установила бы строгие ограничения на то, насколько близкими могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер «атома».
Новая теория, возможно, сможет объединить ОТО и квантовую механику.
Например, когда вы смотрите на экран, читая эту статью, все кажется гладким и непрерывным. Но если бы вы посмотрели на этот экран через увеличительное стекло, то увидели бы пиксели, которые разделяют пространство и обнаружили бы, что невозможно приблизить два изображения на экране ближе, чем на один пиксель. Эта теория взволновала физика Бруно Бенто из Ливерпульского университета.
Я был взволнован, обнаружив эту теорию, которая не только пытается быть как можно более фундаментальной – являясь подходом к квантовой гравитации и фактически переосмысливая само понятие пространства-времени, но также отводит центральную роль времени и его течению, – рассказал физик в интервью Live Science.
«Огромная часть философии причинно-следственных связей заключается в том, что течение времени является чем-то физическим, что его не следует приписывать какой-то возникающей иллюзии или чему-то, что происходит внутри нашего мозга, что заставляет нас думать, что время течет; это прохождение само по себе является проявлением физической теории», – пишут авторы научной работы.
Теория причинных множеств имеет важные последствия для природы времени.
Итак, в теории причинных множеств причинный набор будет расти по одному «атому» за раз и становиться все больше и больше». Подход с причинно-следственными связями аккуратно устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, потому что в теории сингулярности не могут существовать. Материя не может сжаться до бесконечно малых точек – они могут стать не меньше размера атома пространства-времени.
Человеческому глазу не подвластен микромир. Е счастью, у нас есть инструменты, позволяющие увидеть атомы и электроны.
Но как в таком случае выглядит начало нашей Вселенной? Как полагает Ленту и его коллега Став Залель, аспирант Лондонского Имперского колледжа, теория причинных множеств может об этом многое рассказать. Их работа пока что не прошла экспертную оценку и опубликована на сервере препринтов arXiv.
В ней физики рассмотрели вопрос о том, «должно ли существовать начало Вселенной в подходе с причинно-следственными связями». В первоначальной формулировке причинный набор вырастает из ничего во Вселенную, которую мы видим сегодня. В новой работе Большого взрыва в качестве начала Вселенной не было, поскольку причинно-следственная связь была бы бесконечной в прошлом. Это означает, что в прошлом всегда было что-то еще.
Согласитесь, весьма захватывающее исследование. В конце концов, больше ста лет физики не могут объединить квантовый мир и мир, который мы видим перед собой. Но даже если работа пройдет экспертную оценку и будет опубликована в научном журнале, у ученых впереди очень много работы.
Ведь мы по-прежнему не знаем, может ли этот беспричинный причинно-следственный подход позволить использовать физические теории для описания сложной эволюции Вселенной во время Большого взрыва.
Возможно когда-нибудь мы разгадаем величайшие тайны Вселенной
Таким образом, вопрос о том, можно ли новый подход интерпретировать «разумным» образом остается открытым. Однако исследователям удалось показать, что подобная структура действительно возможна. По крайней мере математически. Так что в ближайшее время мы и правда может узнать, было ли у Вселенной начало или же она существовала всегда. Будем ждать.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Мы с вами живем на огромном шаре. Он вращается вокруг своей оси и вокруг гигантской горячей звезды, которая находится внутри галактики, расположенной где-то …
Основываясь на данных нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе, ученые сообщили о некотором прогрессе в понимании старой тайны о том, как и где рождаю…
Что нужно для квантовой гравитации – так это больше экспериментов
Математика не решит проблемы квантовой гравитации, это смогут сделать только эксперименты
В середине 1990-х я изучала математику. Я не была полностью уверена в том, чем я хочу заниматься в жизни, но меня поражала способность математики описывать естественный мир. После уроков по дифференциальной геометрии и алгебрам Ли я посетила серию семинаров от математического департамента, на которых обсуждалась величайшая проблема фундаментальной физики: квантификация гравитации и объединение всех сил природы под одним теоретическим зонтиком. Семинары велись вокруг нового подхода, разработанного Абэй Аштекаром из университета штата Пенсильвания. С этим исследованием я ранее не сталкивалась, и ушла оттуда с полным впечатлением того, что проблема решена, и об этом просто ещё никто не знает.
Всё это казалось чистой победой незамутнённого разума. Требования математической связности привели, к примеру, к открытию бозона Хиггса. Без него Стандартная модель для частиц, сталкивающихся с энергиями выше 1 ТэВ, перестала бы работать – а такие энергии доступны на Большом адронном коллайдере. Вероятности не давали бы в сумме 100% и лишились бы математического смысла. Следовательно, при переходе этой энергетической границы должно было появиться что-то новое. Хиггс был простейшей из возможностей, которую могли придумать физики, и они его, естественно, нашли.
В этой туманности живёт быстро вращающаяся нейтронная звезда PSR B1509-58. Нейтронные звёзды выдают регулярные импульсы в радиодиапазоне, а их можно использовать для поисков квантовых эффектов гравитации.
В 20-х и 30-х математическое несоответствие между специальной теорией относительности Эйнштейна и изначальной версией квантовой механики привело к появлению квантовой теории поля, на которой затем была основана Стандартная модель. Математическое несоответствие между специальной теорией относительности и ньютоновской гравитацией привело к появлению общей теории относительности – нашей самой современной теории гравитации. Теперь же у физиков осталось несоответствие между Стандартной моделью и ОТО. Мы, конечно, ожидаем, что разрешение этой проблемы в виде квантовой теории гравитации станет таким же срывом покровов, как и предыдущие случаи.
Но с течением времени я узнавала и о других исследователях, использовавших другие методы, и убеждённых, что и они также близко подошли к разрешению проблемы. Теория струн, петлевая квантовая гравитация, причинная динамическая триангуляция, асимптотически безопасная гравитация, каузальные наборы… Практиковавшие эти подходы учёные тоже были уверены в том, что смогут расшифровать природу при помощи одной лишь математики. Различались они не потому, что кто-то из них сделал в математических выводах ошибки, но потому, что они начали с разных предпосылок. Математика нужна для проведения серии логических выводов, но ни одно математическое заключение не будет лучше, чем его предпосылки. Для выбора между физическими теориями недостаточно логики. Единственный способ выяснить, какая теория описывает природу, это провести экспериментальную проверку.
Но работавшие над разными подходами физики редко общались друг с другом, а если и общались, то никогда не соглашались. И с чего бы? В отсутствие экспериментальных доказательств у них не было причин для согласия. Накапливалась математика, создавались десятки тысяч статей, проводились сотни конференций. И ни один подход не выдал недвусмысленного решения. И по мере того, как безуспешно проходили десятилетия, над поиском квантовой гравитации всё сильнее нависали сомнения.
Странно, но в 90-х почти никто не пытался найти наблюдаемые доказательства квантовой гравитации; считалось, что это невозможно. Эффекты квантовой гравитации чрезвычайно слабы. Физики прикинули вероятность обнаружения предполагаемых частиц гравитации – гравитонов – и обнаружили, что шансы на это малы даже при использовании детекторов размером с Юпитер, обращающийся вокруг нейтронной звезды. [Rothman, T. & Boughn, S., Can gravitons be detected? Foundations of Physics 36, 1801-1825 (2006)]
Но на самом ли деле необходимо обнаружить гравитоны напрямую, чтобы найти доказательства квантовой гравитации? Этот вопрос не отпускал меня. К концу 90-х я переключилась на изучение физики. Большинство физиков, работающих с квантовой гравитацией, всё ещё верят, что их математика откроет им путь к успеху. Я в это не верю. Но у меня нет и пессимизма по поводу экспериментальной недоступности квантовой гравитации. Наоборот, я осторожно надеюсь, что ещё при моей жизни мы успешно продемонстрируем квантификацию гравитации в эксперименте.
Те из нас, кто ищет экспериментальные подтверждения квантовой гравитации, сталкиваются с уникальной исследовательской проблемой: у нас нет ни теории, ни данных! Но даже при отсутствии общепринятой теории квантовой гравитации, мы можем исследовать основные свойства, ожидаемые от неё, и найденные в различных теориях-кандидатах.
К примеру, некоторые теории указывают на дискретность пространства-времени. В таком случае у него могут быть дефекты, как у кристаллов, способные сбивать с пути свет и размывать изображения удалённых квазаров. Некоторые теории считают, что пространство-время – это некая основа или жидкость, в случае чего даже у вакуума можно было бы найти свойства материалов, такие, как вязкость или рассеивание. Некоторые теории предсказывают нарушение симметрий, уважаемых в ОТО; иные считают, что квантовые флуктуации пространства-времени могут растревожить чувствительные квантовые системы. Всё это можно искать.
Вы уже знаете, что ничего мы не нашли – иначе вы бы услышали об этом. Но даже отсутствие результатов помогает разрабатывать теории. Такие случаи учат нас, что некоторые идеи – к примеру, что пространство-время может быть периодической решёткой – просто несовместимы с наблюдениями.
Конечно, было бы гораздо лучше получить настоящее подтверждение. В последние годы мы смогли найти несколько новых возможностей приблизиться к цели. Возьмём первичные гравитационные волны. Эти небольшие флуктуации пространства-времени в ранней вселенной должны были оставить отчётливый отпечаток на реликтовом излучении. В 2014 году совместная группа BICEP2 объявила о проведении измерений этого отпечатка, и хотя они ошиблись, это не значит, что волн не существует. Просто для их обнаружения потребуется больше усилий. А если мы их обнаружим, их квантовые свойства помогут нам разрабатывать нашу модель. Лоуренс Краус из Аризонского университета и Фрэнк Уилчек из МТИ утверждают, что обнаружение первичных гравитационных волн покажет, что гравитация должна квантоваться [Krauss, L. & Wilczek, F., Using cosmology to establish the quantization of gravity. Physical Review D 89, 047501 (2014)]. Их аргумент чрезмерно упрощён, но Винсент Веннин [Martin, J. & Vennin, V. Quantum discord of cosmic inflation: Can we show that cmb anisotropies are of quantum-mechanical origin? Physical Review D 93, 023505 (2016)] и Юджин Бианчи [Bianchi, E., Hackl, L., & Yokomizo, N. Entanglement time in the primordial universe. International Journal of Modern Physics D 24, 1544006 (2015)] независимо занялись анализом данных по реликтовому излучению, способных отличить квантовые флуктуации от неквантовых.
Телескоп BICEP2 на Южном полюсе
Ещё есть чёрные дыры. Физика чёрных дыр – одна из главных тем исследования квантовой гравитации. Довольно долго считалось, что квантово-гравитационные эффекты будут ощутимыми только ближе к центру чёрных дыр, скрыты за горизонтом, обозначающим её границу, и потому неизмеримы снаружи. Но в последние годы эта вера пошатнулась. К примеру, согласно одному теоретическому предположению, чёрные дыры окружены файерволами — материальными поверхностями, уничтожающими падающую в них материю. Хотя я и некоторые другие учёные подвергали этот аргумент сомнению [Hossenfelder, S. Disentangling the black hole vacuum. Physical Review D 91, 044015 (2015)], он не оказывается единственной причиной предполагать, что на горизонте могут проявляться эффекты квантовой гравитации.
А если они проявляются, тогда изучение чёрных дыр может открыть нам информацию по квантовой гравитации. Майкл Кавиц [Michael Kavic] из Лонг-айлендского университета предложил поискать двойные системы, состоящие из нейтронной звезды, обращающейся вокруг чёрной дыры. Нейтронная звезда излучает радиоволны, и если этот луч заденет горизонт чёрной дыры, то наблюдаемый импульс будет изменён структурой этой дыры [Estes, J., Kavic, M., Lippert, M., & Simonetti, J.H., Shining light on quantum gravity with pulsar-black hole binaries. arXiv:1607.00018 (2016)]. Ещё один подход от Ниайеша Афшорди [Niayesh Afshordi] из Perimeter Institute изучает гравитационные волны, создающиеся при слиянии чёрных дыр. Квантовые эффекты могут проявиться в те моменты, когда новообразованная чёрная дыра принимает свою окончательную форму [Abedi, J., Dykaar, H., & Afshordi, N. Echoes from the Abyss: Evidence for Planck-scale structure at black hole horizons. arXiv:1612.00266 (2016)].
Но самая многообещающая идея пришла с неожиданной стороны. Если гравитационное поле можно квантовать, оно должно обладать определёнными квантовыми характеристиками, такими, как суперпозиция, при которой система одновременно находится в разных состояниях.
Возьмём основной пример квантового поведения: эксперимент с двумя щелями. Если направить луч электронов на экран, в котором прорезаны две щели, электроны образуют определённый волновой рисунок. Для его появления каждый электрон должен пройти через обе щели одновременно – это суперпозиция путей. Но у электрона есть масса, и она влияет на гравитационное поле. Если электрон находится в квантовой суперпозиции, то и его поле также должно быть в квантовой суперпозиции. Это очень странная идея. Если то же самое случится со всей Землёй, то упавшее с дерева яблоко испытает два разных гравитационных поля и упадёт в двух разных направлениях одновременно. Такие признаки несовместимы с квантовой механикой и ОТО; суперпозиция полей должна быть присуща квантовой гравитации.
Пока что таких эффектов никто не наблюдал, поскольку гравитационное поле одного электрона слишком слабое для того, чтобы его можно было измерить. В последние годы несколько экспериментальных групп создавали суперпозиции для гораздо более массивных объектов. Сегодняшний передовой край науки – работа с массой в нанограмм. Маркус Аспельмейер со своей венской группой занялся амбициозным проектом измерения гравитационного притяжения масс в 1 миллиграмм [Schmöle, J., Dragosits, M., Hepach, H., & Aspelmeyer, M. A micromechanical proof-of-principle experiment for measuring the gravitational force of milligram masses. Classical and Quantum Gravity 33, 125031 (2016)]. Недалёк тот день, когда мы сможем измерить гравитационное поле квантовых объектов.
Похожий подход пытаются использовать Мауро Патерностро с коллегами из университета Квинс в Белфасте, чтобы точно определить, какие признаки должны отличать квантующееся гравитационное поле от неквантующегося [Krisnanda, T., Zuppardo, M., Paternostro, M., Tomasz Paterek, T. Revealing non-classicality of unmeasured objects. arXiv:1607.01140 (2016)]. Их подход завязан на типичнейшем квантовом свойстве, запутанности, при котором наблюдается корреляция свойств разных объектов. Представьте два объекта, взаимодействующих через гравитацию. Корреляции между ними будут зависеть от того, квантуется это поле или нет. По идее, можно измерить корреляции и определить квантуемость поля.
То, что науке требуется экспериментальное подтверждение идей, нельзя назвать новостью, но мечта древних философов о том, что одни лишь рассуждения могут распутать тайны природы, к сожалению, живёт среди теоретиков, работающих над квантовой гравитацией. В итоге умственные упражнения, будь они сколь угодно сложными, сводятся к эстетическим или философским предпочтениям при выборе предпосылок. Огромное количество литературы по квантовой гравитации занимается погребением этих предпосылок под математическими горами.
Через двадцать лет после того, как я впервые услышала о квантовой гравитации, эта область всё ещё находится во власти учёных, полагающихся на математическую последовательность. Но увеличивается и число тех, кто, подобно мне, изучает возможности экспериментальных проверок квантовой гравитации. И чем виднее становится провал математического метода, тем нам яснее, что единственный путь вперёд – это поиск экспериментальных подтверждений, вне зависимости от его сложности. Первый шаг – демонстрация квантования гравитации. А затем уже можно приступать ко всему спектру гравитационных явлений. Именно так мы перенесём квантовую гравитацию из математики в физику.
А что стало физикой, может стать инженерным делом. В отличие от многих моих коллег, я считаю, что понимание квантования гравитации может помочь нам практически. Такая теория не только улучшит наше понимание пространства и времени, но и квантовых систем в общем. Это будет долгий путь. Но на то, чтобы пройти от четырёх элементов Аристотеля до четырёх сил физики, нам понадобилось 2000 лет. Так что путешествие будет длительным.