В конце нового подкаст-интервью сегодня, талантливый студент-бакалавр Оэм Триведи, с которым мне выпала честь соавторствовать в научной статье, спросил: «Какой вы видите самый захватывающий рубеж в космологии через столетие?» Я ответил: «Экспериментальные исследования квантовой гравитации».
Когда Альберт Эйнштейн пытался объединить ньютоновскую гравитацию со специальной теорией относительности, он разработал общую теорию относительности, где гравитация проявляется как кривизна пространства-времени. Это было выдающееся теоретическое достижение. К сожалению, оно создало иллюзию, что следующая великая задача — объединение общей теории относительности и квантовой механики — также может быть решена чисто теоретически. Однако реальность оказалась иной. Теоретики струн до сих пор не могут объяснить сингулярности Большого взрыва или черных дыр.
Ограниченность человеческой изобретательности не является беспрецедентной. Квантовая механика была открыта экспериментально столетие назад. Она не была предсказана теоретически и даже сегодня не полностью понятна на фундаментальном уровне. То же самое может быть верно и для квантовой гравитации. Поэтому важно следовать экспериментальному подходу, который поможет нам прийти к уникальной теории квантовой гравитации. Но существуют ли подходящие среды для такого поиска?
Согласно стандартной модели физики частиц, мы ожидаем, что эффекты квантовой гравитации будут проявляться ярче всего на энергии Планка, которая на 19 порядков выше энергии покоя протона. К сожалению, даже самые высокоэнергетические космические лучи отстают от этой величины на сто миллионов раз. Сингулярности черных дыр должны быть заменены чем-то другим в рамках квантовой гравитации, но приближение к этому «чему-то» представляет экзистенциальный риск — экспериментаторов разорвало бы гигантскими гравитационными приливами.
К счастью, есть более подходящие условия. Например, понимание квантовой гравитации может быть связано с природой темной энергии, которая задает ускоренное космическое расширение. Энергетическая плотность вакуума доминирует в текущем космическом балансе масс, несмотря на то, что она меньше энергии Планка на 123 порядка. Мы можем попытаться понять ее природу, возмущая космический вакуум в лаборатории или измеряя его эволюцию во времени, как это сейчас делает проект DESI.
Другой подход — обнаружение космического фона гравитонов с температурой ниже одного градуса Кельвина выше абсолютного нуля. Этот фон гравитонов является аналогом космического микроволнового фона. В то время как тепловой фотонный фон был освобожден через 400 тысяч лет после Большого взрыва, гравитоны термализировались во время Планковской эпохи и с тех пор распространяются свободно. Как я утверждал в статье 2022 года с Санни Ваньоцци, обнаружение этого фона строго ограничило бы теории квантовой гравитации и исключило бы космическую инфляцию.
В принципе, модифицированная гравитация при низких ускорениях, такая как MOND, также могла бы иметь корни в квантовой гравитации. В этом случае темная материя на самом деле не существует. Вместо этого она представляет собой неверную интерпретацию расхождений между общей теорией относительности и данными о динамике при низких ускорениях.
Наконец, если миниатюрные черные дыры массой, сравнимой с астероидами, были созданы в ранней Вселенной, и одна из них будет обнаружена в Солнечной системе, то экспериментальное изучение ее испарения по Хокингу или взаимодействия с падающим веществом может исследовать эффекты квантовой гравитации, как я обсуждал в новой статье.
Я пояснил Оэму, что это всего лишь несколько примеров экспериментальных путей исследования квантовой гравитации. Другие неожиданные пути могут открыться благодаря новым аномалиям в ближайшие десятилетия.
Рассмотрим, например, астрофизику гравитационных волн. На данный момент обнаруженные сигналы не выявили новой физики. Однако будущие наблюдения в обсерваториях гравитационных волн, таких как LIGO-Virgo-KAGRA или LISA, могут выявить удивительные источники, сформированные квантовой гравитацией. Одним из таких источников может быть белая дыра — временной реверс черной дыры, где энергия вытекает из окрестностей сингулярности, описанной общей теорией относительности. Другим источником может быть червоточина — мост в пространстве-времени, который предоставляет короткий путь между далекими регионами пространства. Другие признаки квантовой гравитации могут включать сверхсветовые путешествия или машину времени, которая доставляет информацию из будущего, нарушая «принцип защиты хронологии» Стивена Хокинга.
В конечном счете, обнаружение гравитонов из Планковской эпохи космической истории или наблюдение белой дыры эквивалентно взгляду на квантовую гравитацию прямо в глаза.
Кратчайший путь к новым инсайтам в области квантовой гравитации может быть предоставлен встречей с технологическими продуктами продвинутой внеземной цивилизации. В этом случае их создатели могли бы воспользоваться инсайтами, разработанными за миллионы лет их истории науки и технологий. Например, это позволило бы им использовать квантовую гравитацию для движения космических кораблей. Реверс-инжиниринг их технологий может сэкономить нам время на самостоятельную разработку этих идей.
Получив знания о квантовой гравитации от более умных ученых на нашей космической «улице», мы могли бы понять, что произошло до Большого взрыва. Это могло бы дать нам рецепт создания молодой Вселенной в лаборатории. Таким образом, мы не только объединили бы квантовую механику и гравитацию, но и объединили бы науку и религию.
Если вам нравится читать статьи на нашем канале и вы хотите помочь в его развитии, вы можете поддержать канал донатом: