Представьте, что из космического пространства исчезли все формы материи и излучения. Что же останется? Оставшаяся фундаментальная основа Вселенной известна как пространство-время; её часто представляют как некий космический каркас. Однако, как подчеркивает физик Джонатан Оппенхайм из Лондонского университетского колледжа, понятие «ткани пространства-времени» более уместно в контексте научной фантастики и не имеет единого определения в научном сообществе.
С точки зрения классической физики, в рамках общей теории относительности Эйнштейна, пространство-время не самодостаточно: оно взаимодействует с массой и энергией, складываясь в сложную систему, что проявляется через гравитацию. Эйнштейновские уравнения подразумевают непрерывность, предполагая, что такая «ткань» должна быть идеально гладкой.
Однако современные теории гласят, что пространство-время должно подчиняться принципам квантовой механики, законы которой управляют субатомными частицами и полями, что предполагает возможность дискретной структуры, состоящей из отдельных «кусочков» или квантов.
Загвоздка заключается в отсутствии убедительных доказательств квантовой природы пространства-времени. Установить это непросто, поскольку предполагаемые «кванты» пространства-времени, его базовые элементы, были бы исключительно малы, и наблюдать их напрямую не представляется возможным. Поэтому ученые полагаются на косвенные методы исследования.
Медленные нейтрино
В представлении физиков нейтрино — крайне загадочные элементарные частицы, способные пронизывать пространство-время и трансформироваться из одного типа в другой.
Этот процесс трансформации, известный как осцилляция нейтрино, обусловлен различием массовых состояний, присущих каждому типу нейтрино. Нейтрино уникальны еще и тем, что не привязаны к конкретной массе: они представляют собой смешение трех разных массовых состояний, которые, переплетаясь во время движения частицы, вызывают её метаморфозы.
Если предположить, что пространство-время состоит из отдельных квантов, оно может обладать сложной структурой с микроскопическими вариациями, подобными волнам на поверхности воды. Эти неоднородности способны влиять на скорость нейтрино, ускоряя или замедляя их ход в зависимости от того, как частицы взаимодействуют с этими «волнами».
Научная установка IceCube Neutrino Observatory, расположенная на южном полюсе Земли, занимается исследованием этого феномена. Используя нейтрино высокой энергии, порождаемые космическими лучами, она изучает изменения в осцилляциях, которые могли бы указать на дискретную структуру пространства-времени.
На данный момент результаты наблюдений IceCube не выявили никаких аномалий, которые противоречили бы стандартным гипотезам.
Квантовая пена
Теоретически пространство-время может представлять собой хаотичное переплетение квантовых процессов, которые непрерывным потоком возникают и исчезают на самом базовом уровне. Если это так, то структура пространства-времени далека от гладкости и непрерывности и напоминает своего рода квантовую пену, пористую и неоднородную.
Для обнаружения этой предполагаемой пены можно применять гамма-лучи — формы электромагнитного излучения, которые генерируются космическими катастрофами вроде взрывов сверхновых или столкновений черных дыр. В теории, взаимодействуя с мельчайшими колебаниями квантовой пены, гамма-лучи могли бы терять некоторое количество энергии, что приведет к их замедлению.
Это явление можно было бы зарегистрировать с помощью астрофизических телескопов, таких как космический телескоп Ферми, предназначенный для наблюдения за гамма-излучением, или Черенковский телескопный комплекс, который способен фиксировать гамма-лучи из дальнего космоса.
Эти инструменты измеряют время прибытия и энергетические характеристики гамма-лучей от удаленных астрономических событий. Если бы пространство-время было гладким, все гамма-лучи достигали бы Земли одновременно, но квантованная структура вызывает дифференциацию во времени их прибытия. Однако пока ученые не зафиксировали временных аномалий в прибытии гамма-лучей.
Гравитационные волны
Гравитационные волны — это рябь в самой структуре пространства и времени, которая возникает из-за движений тяжеловесных космических тел, таких как черные дыры или нейтронные звезды.
Эти волны перемещаются со скоростью света, неся с собой информацию о своем происхождении. В том случае, если пространство-время обладает дискретной, квантовой природой, то гравитационные волны могут подвергаться воздействию квантовых флуктуаций, искажающих их амплитуду и периодичность. Предполагается, что в процессе их распространения форма гравитационных волн не будет оставаться неизменной.
Для проверки этой гипотезы используются обсерватории гравитационных волн, например, LIGO или VIRGO. Они работают на основе двух взаимно ортогональных лазерных лучей, направленных в зеркала, расположенные на краях длинных вакуумных труб.
В момент, когда гравитационная волна проходит через детектор, она деформирует пространственно-временной континуум, вызывая колебания длин этих труб, что, в свою очередь, ведет к изменению фазы лазерного излучения. Такие колебания фазы могут быть зарегистрированы при помощи интерферометра.
Если предположить, что пространство-время является непрерывным и гладким, тогда гравитационные волны должны демонстрировать четкий и предсказуемый узор, отражающий характеристики их источника. Однако, если реальность устроена так, что пространство и время основаны на квантовых принципах, гравитационные волны могут попасть под влияние квантовых флуктуаций и проявить некие вариации формы и частоты. Пока выявить их не удалось.
Квантовая петля
Теория петлевой квантовой гравитации (ПКГ) — еще один из подходов к разгадке тайны квантовой гравитации. Основной постулат этой теории заключается в том, что ткань пространства-времени можно воспроизвести в виде сетевидной конструкции состоящей из петель или циклических структур, служащих для кодирования геометрических характеристик.
Эти петли — не материальные объекты, а абстрактные математические сущности, предназначенные для описания свойств гравитационного поля на микроскопическом уровне. ПКГ стремится синтезировать общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой без вовлечения дополнительных пространственных измерений или теории струн.
Подтвердить эту концепцию можно с помощью наблюдений за черными дырами — космическими объектами с гравитационным полем настолько мощным, что ни одна частица не может покинуть их пределы.
Известно, что черные дыры могут испаряться, теряя массу и энергию через излучение, названное в честь Стивена Хокинга. Испарение Хокинга основывается на взаимодействии черной дыры с квантовыми флуктуациями космического вакуума. Предполагается, что дискретная структура пространства-времени может влиять на интенсивность и характеристики этого испарения.
Для экспериментальной проверки можно использовать космические детекторы вроде LISA или наземные обсерватории типа LIGO, способные регистрировать гравитационные волны, возникающие при слияниях черных дыр. Такие обсерватории могут оценивать массу и угловой момент черных дыр до и после их слияния, анализируя полученные данные в контексте теоретических моделей.
Если пространство-время обладает квантовой структурой, тогда конечные масса и угловой момент сливающихся черных дыр могли бы оказаться меньше предсказываемых классической теорией значениях из-за утраты энергии на квантовое испарение. И вновь — никаких подтверждений пока, увы…
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на мой YouTube канал!
Ставьте ПАЛЕЦ ВВЕРХ и ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на Дзен канал.
Читайте также:
✅4 радиационные аварии, о которых в СССР помалкивали — десятилетиями
✅ 6 невероятных и глуповатых идей, которые принесли своим создателям кучу денег
✅10 обычных вещей для Израиля, которые удивляют других. Часть 2
✅ Идеалы мужской красоты на Руси: сегодня они кажутся довольно сомнительными…
✅Самые дорогие компании мира в 2023 году: топ-10 финансовых