Проблема заключается в том, подчиняется ли пространство-время и гравитация квантово-механическим законам. Планируемые эксперименты позволят выяснить, является ли пространство-время квантовым и может ли существовать в виде суперпозиции двух форм одновременно. Дело в том, что две физические теории, описывающие мегамир (общая теория относительности) и микромир (квантовая механика) не раскрывают квантовую природу гравитации. Считается, что квантовая природа необходима лишь для описания экстремальных условий, таких как параметры, соответствующие Большому взрыву и внутренней области чёрных дыр.
Природа гравитации
Устоявшейся концепцией гравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Она утверждает, что пространство-время определяется гравитацией. С точки зрения Эйнштейна и его последователей, гравитация — это не сила, как у Исаака Ньютона, а кривизна пространства. Поэтому, когда рассматривается поведение гравитации, в действительности речь идёт о квантовом поведении пространства-времени.
В настоящее время не существует единой теории квантовой гравитации. Тем не менее имеется несколько концепций. Ведущими из них служат петлевая гравитация и теория суперструн. Первая постулирует, что ткань пространства состоит из сети микропетель, а вторая — из колеблющихся струн, вибрирующих в пространстве большей размерности, чем три. Проверить данные теории не представляется возможным, поскольку наука и техника не позволяют воспроизвести условия ранней Вселенной и внутренние параметры чёрных дыр. Однако последние исследования открывают возможности для экспериментального установления квантовой природы гравитации. Экспериментальное подтверждение того, что гравитация квантуется стало бы концептуальным прорывом в физике.
Интерференция и суперпозиция
Одна идея связана с интерференцией, раскрывшей многие аспекты квантовой физики. Под интерференцией понимается увеличение или уменьшение амплитуды результирующих когерентных волн при их наложении друг на друга. Для квантовой механики характерно, что микрообъект, к примеру, такой как нейтрон, обладает волновыми свойствами. Эксперименты показывают, что даже один нейтрон, проходящий через две щели, создаёт интерференционную картину, то есть взаимодействует сам с собой. Данное явление может происходить только в том случае, когда нейтрон проявляет волновые свойства и ведёт себя как две волны, движущиеся по разным траекториям. Однако нахождение частицы одновременно в двух разных местах противоречит классическим представлениям. Для обозначения такого квантового явления был введён термин «суперпозиция», то есть нейтрон находится одновременно и здесь, и там.
Возникает вопрос, обладает ли гравитация и пространство-время свойством суперпозиции? С точки зрения общей теории относительности, наличие массы искривляет близлежащее пространство-время. Искривление пространства приводит к замедлению времени, что можно использовать в интерференционном эксперименте. Предполагается разделение нейтрона зеркалом по разным траекториям: верхней и нижней. Нижняя, находится ближе к Земле, и в связи с замедлением времени будет колебаться медленнее, чем та волна, которая движется по верхней траектории. В результате возникает квантовая интерференция, вызванная исключительно кривизной пространства-времени.
Такой эксперимент был предложен в 1974 году. В следующем году Роберто Колелла вместе с Альбертом Оверхаузером в сотрудничестве с Самюэлем Вернером успешно его провели. Эксперимент подтвердил квантово-механическую природу частиц, но не квантовую природу гравитации. Выяснилось, что невозможно наблюдать интерференцию, просто направив свет на объект, находящийся в суперпозиции. Поскольку волны света должны составлять 10 в минус 32 степени метра — недоступной на сегодняшний день области. Она могла быть только в момент Большого взрыва.
Модификация этого подхода заключается в использовании второй массы, приблизив её к исходной. Чем тяжелее масса, тем больше гравитационная сила, и чем медленнее она движется, тем дольше масса испытывает эту силу. Если сумма двух масс составляет одну десятитысячную от массы Планка, то возможно возникновение интерференционной картины, что приближается к существующим экспериментальным возможностям.
В 2017 году был предложен другой подход к измерению квантовых эффектов гравитации, основанный на свойствах квантовой запутанности. Если рассмотреть взаимодействие двух частиц, каждая из которых находится в квантовой суперпозиции в пространственном местоположении, то возможно несколько позиций их расположения. Исходя из того, что геометрия пространства-времени зависит от расстояния между частицами, следует наличие разных вариантов разных геометрий. Суперпозиция частиц означает, что гравитация тоже находится в суперпозиции.
Согласно квантовому дуализму, неподвижная квантовая частица представляет волну, колеблющуюся с определённой частотой. Однако гравитация вызывает замедление времени, что приводит к изменению скорости колебаний частиц в зависимости от их расположения по отношению друг к другу. В результате наложения колебаний возникает интерференция, которая может быть измерена в характерных квантовых корреляциях между двумя частицами.
Таинственная запутанность
Запутанность, как известно, беспокоила Эйнштейна, он называл её «жутким действием на расстоянии», поскольку связь между объектами мгновенно коррелировалась с их состояниями невероятными способами. Между тем запутанность, несмотря на свою странную природу, является основным свойством квантового мира. Если два квантовых объекта взаимодействуют, они обычно становятся запутанными и сохраняют состояние запутанности пока остаются изолированными от остального мира, как бы далеко они не находились, даже в том случае, когда их разделяют галактические расстояния. Возможно, пространство возникает из способности к запутанности сохраняться на больших пространственных интервалах, при этом, чем больше они запутаны, тем ближе находятся в области пространства.
В то же время запутанность не наблюдаема, если само гравитационное поле между взаимодействующими частицами не находится в квантовой суперпозиции. Из этого следует, если гравитация вызвана деформацией пространства-времени, то измерение запутанности стало бы доказательством того, что геометрия пространства-времени может находиться в суперпозиции и является квантовым.
Если будут найдены экспериментальные доказательства суперпозиции пространства-времени, то это подтвердит квантовую теорию гравитации и исключит возможность того, что гравитация является классической. В результате экспериментальная физика войдёт в область, которая до настоящего времени оставалась царством гипотез. В этом случае нас ждёт новая научная революция, сопровождающаяся крутой ломкой устоявшихся воззрений на природу гравитации и пространства-времени.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Микро- и мегамир»: