Чи існує квантова гравітація: відкриття фізиків змінює розуміння головних сил природи

Фізики намагаються створити теорію квантової гравітації, яка б об'єднала непримиренні між собою квантову механіку і загальну теорію відносності Ейнштейна. Нове дослідження показує, що класична гравітація може взаємодіяти з квантовими полями, що призводить до квантової заплутаності матерії. І це навіть без наявності концепції квантової гравітації. Нове дослідження фізиків кидає виклик нашим уявленням про квантові поля і про те, як працює класична гравітація. Дослідження опубліковано в журналі Nature, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Теорія квантової гравітації

Учені прагнуть створити теорію квантової гравітації, щоб об'єднати фізику, що діє у великих масштабах і на субатомному рівні. Квантова механіка пояснює поведінку субатомних частинок, загальна теорія відносності Ейнштейна, яка описує принцип роботи гравітації, пояснює фізику у великих масштабах. Хоча квантова фізика і загальна теорія відносності з'явилися на початку минулого століття, вчені досі не знають, як їх об'єднати. Нині обидві теорії суперечать одна одній.

Квантова суперпозиція

Насправді, нове відкриття фізиків може ускладнити ситуацію. Їхнє дослідження ґрунтується на уявному експерименті фізика Річарда Фейнмана, запропонованому в 1957 році. Цей уявний експеримент передбачав поміщення об'єкта в квантову суперпозицію.

Значення властивостей, що становлять квантовий стан частинки, мають імовірнісну природу, і цей розподіл імовірностей описується хвилею, пік якої представляє найбільшу ймовірність. Квантова суперпозиція проявляється, коли хвильові функції для різних імовірностей накладаються одна на одну.

Уявний експеримент Фейнмана поміщав положення одного об'єкта в суперпозицію. Простіше кажучи, об'єкт існував би одночасно у двох місцях, поки його не спостерігають. Після спостереження за об'єктом його хвильова функція колапсує. Потім в експеримент Фейнмана вводили другий об'єкт. Якщо перший об'єкт у стані квантової суперпозиції взаємодіяв за допомогою гравітації з другим об'єктом, незважаючи на те, що стан суперпозиції першого об'єкта колапсував, Фейнман стверджував, що це буде ознакою дії квантової гравітації. Тобто фізик вважав, що якщо гравітаційне поле об'єкта перебуває у квантовій суперпозиції, то гравітація також може бути квантовою.

Квантова заплутаність

Зараз зв'язок між об'єктами в цьому уявному експерименті пояснюють їх квантовою заплутаністю. Це означає, що квантові властивості об'єктів стають нерозривно пов'язаними один з одним настільки, що зміна властивостей одного об'єкта викличе зміну властивостей іншого. Це відбувається навіть якщо об'єкти знаходяться надзвичайно далеко один від одного. Автори дослідження показали, що квантова заплутаність може існувати і без квантової гравітації.

Кванти головних сил природи

Альберт Ейнштейн описував гравітацію як викривлення простору-часу. Але, коли справа доходить до квантової фізики, виникає проблема. У квантовій фізиці фундаментальні взаємодії, тобто головні сили природи, складаються з окремих пакетів енергії, які називаються квантами.

Наприклад, квант електромагнітної взаємодії — це фотон. Це означає, що в квантовому описі класичної гравітації вона повинна мати свої кванти. Вважається, що гравітони, але їх ніхто ніколи не бачив.

Ба більше, у квантовій гравітації квантова заплутаність гравітаційних полів опосередковується віртуальними гравітонами. У реальності вони не існують, тому їх називають віртуальними, але у світі квантової фізики неіснуючі частинки можуть існувати дуже короткий час.

Несподіване відкриття фізиків

Фізики показали, що навіть якщо гравітація не є квантовою, вона все ж може призводити до квантової заплутаності матерії. Таким чином гравітацію можна описати відповідно до квантової теорії поля. Класичне гравітаційне поле взаємодіє з квантовим полем матерії, що становить два об'єкти, і ця заплутаність опосередковується віртуальними частинками. По суті, фізики зобразили віртуальні атоми.

За словами вчених, вважалося, що для заплутування гравітаційної взаємодії необхідно, щоб гравітаційне поле було квантовим, щоб воно могло перебувати у квантовій суперпозиції. Але нове дослідження показує, що з гравітацією можуть бути пов'язані квантові процеси. Навіть якщо гравітація є класичною, а не квантовою, вона все одно може приводити матерію в стан квантової заплутаності.

Фізики кажуть, що вони не виключають існування квантової гравітації, але нове відкриття показує щось нове в поведінці класичної гравітації.

Як уже писав Фокус, вчені дійшли висновку, що чорні діри з'єднуються між собою довгими і нерівними червоточинами. Це вирішує давню проблему у фізиці.

Також Фокус писав про те, що знамениті "Сім сестер" у космосі в 20 разів більше, ніж вважали астрономи. Вчені виявили, що знамените зоряне скупчення Плеяди містить набагато більше зірок, ніж передбачалося.