Случайные колебания времени могут помочь разгадать величайшую загадку гравитации

Фото из открытых источников

Самый сложный вопрос в физике на данный момент — это то, как общая теория относительности — законы, управляющие гравитацией и пространством-временем в больших масштабах — сочетается с квантовой механикой, законами, управляющими очень малыми масштабами. Существует множество потенциальных решений, ни одно из которых не доказано, и до сих пор очень немногие из них были окончательно исключены или даже тщательно исследованы. Однако сейчас приближается день, когда одна из этих идей может быть проверена. Если она подтвердится, это может кардинально изменить наше представление о времени. Новое исследование опубликовано в журнале Physical Review X.

Большинство предложенных идей по объединению теории относительности и квантовой механики называются теориями квантовой гравитации, но создатель этой альтернативной теории, Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона, называет свою постквантовой гравитацией. В отличие от других, его идея не пытается сделать пространство-время, а следовательно, и гравитацию, квантовыми.

Квантование теории предполагает её разложение на фундаментальные части, или кванты. Свет — квантовая сила, его квантами являются фотоны, и две из трёх других фундаментальных сил также определённо квантовые. Гравитация — единственная сила, квантовый характер которой ещё не доказан, и Оппенгейм и его коллеги предполагают, что, возможно, это не так.

Построение постквантовой гравитации предполагает, что пространство-время и гравитация не являются квантовыми, а скорее непрерывными и фундаментальными, не имеющими составляющих строительных блоков. Отсюда следует длинная цепочка сложных математических вычислений и моделирования того, как это неквантовое пространство-время будет взаимодействовать с квантовыми силами, частицами и полями, содержащимися в нём.

Среди эффектов, которые возникли в результате этой цепочки вычислений, — странная случайность в пространстве-времени. Когда мы думаем о времени, мы можем представить себе часы, тикающие регулярно, каждое тикание следует за следующим с равными интервалами между ними. В постквантовой гравитации в этих тиках будут наблюдаться небольшие случайные флуктуации. Они будут происходить в масштабах, слишком малых для нашего восприятия, но время станет «колеблющимся», непредсказуемо текущим вперёд.

Эти флуктуации являются частью того, что позволяет связать теорию гравитации Оппенгейма с квантовой механикой. При их включении в некоторые базовые квантово-механические расчеты выявляется ряд фундаментальных явлений, наблюдаемых в квантовых системах, включая правила, согласно которым квантовая система, как правило, трансформируется в классическую при наблюдении – то же самое правило, которое гласит, что хотя кот Шрёдингера может быть одновременно живым и мертвым до открытия коробки, после открытия коробки и осмотра кот будет либо тем, либо другим.

Причина нестабильности времени, однако, до сих пор остается неясной. Она вытекает из уравнений, но Оппенгейм и его коллеги пока не связали эту случайность с каким-либо конкретным источником. «Есть ли что-то, какой-то конкретный физический эффект, который заставляет его течь непредсказуемым образом? Возможно, но это на один уровень глубже, и на данный момент я не думаю, что мы готовы к этому — ни с научной, ни с философской точки зрения», — говорит Оппенгейм. «Но если мы не собираемся квантовать пространство-время, то оно неизбежно должно стать таким».

Оппенгейм признает, что вся эта идея вызывает большие споры среди физиков. «Я не знаю никого, кто считал бы, что это более вероятно, чем неверно — думаю, я, вероятно, один в этом мнении, — но я думаю, что многие считают, что мы должны это проверить», — говорит он.

К счастью, первые проверки сейчас становятся возможными. Многие теории, стремящиеся объединить гравитацию и общую теорию относительности, трудно или даже невозможно доказать или опровергнуть. Возможность проверки придает постквантовой гравитации серьезность и научный потенциал, которых нет у некоторых других идей, говорит Джузеппе Фабиано из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, штат Калифорния, входящий в группу, разрабатывающую параметры для проверки теорий гравитации. «Я в некотором роде агностик в отношении самой теории, но пока она дает какие-то предсказания, которые я могу проверить в лаборатории, это полезная теория».

Эксперименты, предложенные Оппенгеймом и другими, связаны с измерением свойств гравитации между парами объектов. Поскольку общая теория относительности неразрывно связывает пространство и время и постулирует, что искривление пространства-времени является источником гравитации, любые изменения свойств пространства и времени неизбежно изменят и силу гравитации. «Если течение времени обладает такой непредсказуемостью, то при измерении гравитации вы увидите эту непредсказуемость», — говорит Оппенгейм.

Эти эксперименты уже проводятся, хотя до достижения необходимого уровня точности для фактической проверки постквантовой гравитации могут пройти десятилетия. Только сейчас было доказано, что эти тесты вообще возможны — разработка датчиков и расчет параметров, необходимых для их проведения, станет еще одной колоссальной задачей. Но, несмотря на то, что сама теория спорна, многие исследователи согласны с Оппенгеймом в том, что эти тесты стоит проводить.

«Если бы мы нашли экспериментальное подтверждение точности постквантовой гравитации, это было бы огромным событием, прежде всего потому, что это сильно отличалось бы от всех других взаимодействий, которые мы анализировали в течение последнего столетия», — говорит Фабиано. Гравитация всегда в чем-то отличалась от других фундаментальных сил — например, она намного слабее остальных, — но идея о том, что ее форма настолько радикально отличается от них, стала бы огромным отступлением от широко принятой ортодоксии.

Трудно представить, насколько широкое влияние окажет подтверждение постквантовой гравитации на наше понимание физики. Некоторые проблемы, такие как сочетание общей теории относительности и квантовой механики, будут решены, но это, несомненно, породит множество других вопросов. Если время действительно неустойчиво, это может изменить наше представление о всей Вселенной.