22 октября 2025 года британские ученые из факультета "Royal Holloway" университета Лондона опубликовали статью "Классические теории гравитации создают запутанность" в журнале Nature. Цитаты из этой статьи могут коротко и емко описать приличную часть современной научной проблематики.
Проблема: теория относительности не квантовая
В то время как другие фундаментальные взаимодействия - электромагнетизм, а также сильные и слабые силы - были успешно приурочены к квантовой теории, стандартные методы квантования, похоже, не подходят для гравитации.
Обе господствующие научные парадигмы понимания мира - теория относительности и квантовая механика появились в начале 20-ого века. Обе концепции родились в одно время и имеют частично общее авторство. Например, Альберт Эйнштейн развил идею квантов Макса Планка в 1905 году, а в следующем году Планк предложил Эйнштейну название для "теории относительности". Объединить эти идеи в одну физики пытались с 1920-х годов, но до сих пор не смогли.
Варианты решений
Это мотивировало альтернативные подходы к унификации гравитации с квантовой теорией, включая теорию струн, петлевую квантовую гравитацию и предложения о том, что гравитация вообще не квантуется и остается принципиально классической.
Теории квантовой гравитации не существует на сегодняшний день, в том числе и потому, что размышляя о проблеме, ученые выбрали разные направления решений.
Семейство струнных теорий
Идея струн заключается в том, что поля и их кванты, то есть частицы - дуализм, который нам только кажется. На самом деле это варианты эволюции одного объекта - струны. Струнных теорий так много, потому что они упираются в другую проблему физики: существование суперсимметри. Сейчас мы уверены в том что у каждой частицы есть по одному партеру - античастице. Например, у электрона это позитрон. У теории струн, построенной на этой простой симметрии 26 измерений. Если предположить, что у каждой частицы помимо одного партнера еще и по 2 суперпартнера, то в струнных теориях получается 10 или 11 измерений. А если пойти дальше и представить супер-суперсимметричную вселенную с 7 партнерами у каждой частицы, получится теория струн с 2 измерениями пространства и 2 измерениями времени. Теория плоской Земли на этом фоне кажется базой.
Петлевая квантовая гравитация
Макс Планк, приложивший руку к появлению проблемы квантования гравитации, предложил и идею, которая легла в основу одного из решений: систему планковских единиц. Три фундаментальные физические константы - скорость света, гравитационная постоянная и постоянная Планка имеют громоздкие значения. Если волевым решением сделать их равными единице, тогда все остальные меры - длины, времени, энергии - станут громоздкими вместо констант. Единицы пространства и времени стали очень маленькими, единица энергии очень большой, а масса осталась обычной. И концепция петлевой квантвой гравитации нашла в этом философский смысл:
А что если планковские единицы объема и времени - это минимальные "кирпичики" вселенной? Тогда пространство-время дискретно, а значит и гравитация квантуется.
В теории петлевой квантовой гравитации всего 4 измерения, как сейчас в теории относительности и не требуется супер-симметрия. А еще, так как есть минимальный объем - кубик со стороной в длину Планка, то нет сингулярностей - точки, содержащей всю массу черной дыры. Вместо этого внутри черной дыры - белая дыра.
Пертурбативная квантовая гравитация
Пертурбативная квантовая гравитация - один из альтернативных вариантов решения проблемы квантования гравитации. Теория имеет ограниченную область применимости и формально является неперенормируемой, то есть математически там образуются бесконечности от которых не получилось избавиться. Несмотря на это, теория хорошо определена при малых энергиях и позволят получать проверяемые предсказания. Возможно, пертурбативная квантовая гравитация - это простейшая модель квантовой гравитации: в ней нет большого числа измерений и не нужна супер-симметрия как в струнных теориях, а пространство-время непрерывное, в отличии от теории петлевой гравитации.
Трудно выделить конкретных авторов теории, но из широко известных физиков, работы которых легли в ее основу выделяются Стивен Хокинг и Андрей Дмитриевич Сахаров - отец водородной бомбы.
В пертурбативной квантовой гравитации, фотоны как посредники взаимодействия заменяются гравитонами. Например, для двух взаимодействующих частиц материи у нас есть диаграмма с виртуальным гравитоном, опосредующим взаимодействие. Аналогичным образом, у нас также есть все другие диаграммы, где есть виртуальная материя и/или виртуальные гравитационные посредники.
Гравитацию не нужно квантовать
Ввиду огромных трудностей, с которыми мы, по-видимому, сталкиваемся при квантовании общей теории относительности, нам, следует рассмотреть возможность того, что гравитация является фундаментально классическим взаимодействием. Теоретические аргументы против смешанных классико-квантовых моделей сильны, но не окончательны, и в конечном итоге вопрос решается экспериментально.
Идея о том, что гравитацию не нужно пытаться квантовать, а лучше просто оставить в покое - такое же конкурентное решение проблемы, как и три предыдущих. Вопрос "Необходима ли квантовая гравитация?" вынесен в заглавие научной статьи 2008 года и преследует физиков вот уже около века.
Конференция в Чапел-Хилле
На конференции в Чапел-Хилле в 1957 году Фейнман предложил мысленный эксперимент, который мог бы раскрыть квантовую природу гравитации. Объект массы Планка - 0,02 мг помещается в квантовую суперпозицию двух мест перед гравитационным взаимодействием с другим объектом. В то время как точный рецепт измерения Фейнмана для определения квантовой природы гравитации неясен из оригинального текста конференции, сегодня это рассматривается как наблюдение за запутанностью между массивными объектами, с несколькими теоремами и аргументами о том, как классические теории гравитации никогда не могут создать запутанность между массивными объектами.
"Конференция о роли гравитации в физике" в штате Северная Каролина в январе 1957 года дала миру науки примерно то же, что и спор Эйнштейна и Бора в Брюсселе в 1927 году - вопросы на которые придется отвечать в ближайшие столетия. На конференции в Чапел-Хилле обсуждались гравитационные волны, многомировая интерпретация квантовой механики и квантовая гравитация.
Реализм и локальность
Самая фундаментальная основа физики - это реализм, предположение о том, что свойства объектов сохраняются достаточно долго в прошлом и будущем. Именно это позволяет делать научные предсказания. То есть, вы точно можете знать звук хлопка, который никто не слышал или гарантировать, что комната, которую никто не наблюдал осталась ровно такой, какой вы ее запомнили. Наука портит философские загадки.
Вторая основа науки - локальность, это ограничение на скорость передачи информации. Именно это позволяет существовать времени в смысле причинности, то есть только из-за локальности нашего мира мы можем говорить о причинах и следствиях.
Но для всего что меньше нанометра в диаметре оба фундаментальных правила не верны. За экспериментальное подтверждение нарушения локального реализма в квантовом мире в 2022 году присуждена Нобелевская премия по физике. Нарушение локальности, например, позволяет пользоваться телепортацией на основе квантвой запутанности. На сегодняшний день освоена технология, передающая интернет-пакеты быстрее скорости света по оптоволокну.
То есть, где-то на масштабной границе в районе 1 нанометра стоят нанофизики и все что больше отправляют в мир локального реализма, а все что меньше в дурку квантовой мир.
Но британские физики в статье, о которой мы говорим, подвергают такое разделение сомнению. Они предлагают идею того, что большие классические объекты из мира локального реализма тоже могут участвовать в квантовой запутанности.
Было опубликовано несколько работ о том, "действительно ли запутанность свидетельствует о квантовой гравитации?", часто вдохновленных дискуссиями на конференции в Чапел-Хилле. Эти работы были сосредоточены на том, может ли классическая гравитация действовать через нелокальные операции, позволяя генерацию запутанности. Это противоречит нашему пониманию взаимодействий в природе. Идея о том, что классическая теория гравитации должна включать только классическое общение через гравитационное взаимодействие, кажется естественной и не подвергалась сомнению. Однако здесь мы утверждаем, что классическое гравитационное взаимодействие может генерировать квантовую связь и, следовательно, запутаться.
Идея о квантовых чудесах за пределами наномира перевернула бы физику и философию с ног на голову, если бы не работала только в непопулярной теории пертурбативной квантовой гравитации.
Эксперимент Фейнмана
Мы демонстрируем, как можно придти к запутанности в простой версии эксперимента, впервые предложенного Фейнманом на конференции в Чапел-Хилле в 1957 году. Два сферических распределения массы подготовлены для квантовой суперпозиции двух мест. Это может быть достигнуто разными способами.
Далее британские ученые ссылаются на три статьи об экспериметах над квантовой гравитацией, которые сами по себе сложны и запутаны. Возьмем их на карандаш и однажды разберем подробнее. А пока, в разделе "Что еще почитать?" опишем их кратко.
Расчеты показывают, что в теории пертурбативной квантовой гравитации при низких энергиях классическое гравитационное взаимодействие может создать запутанность между двумя системами вещества через виртуальные гравитоны. С системами материи в суперпозиции происходит процесс запутывания, который можно рассматривать как возникающий из различных расстояний, по которым частицы виртуальной материи должны перемещаться между системами в различных ветвях суперпозиции. Для определенных значений массы и времени было обнаружено, что, в принципе, классический эффект гравитационного взаимодействия может быть таким большим, что простое наблюдение запутывания в этом эксперименте не может быть использовано для подтверждения квантовой гравитации. Однако в других экспериментах это можно будет исправить.
Последствия
- Дискредитирован ли эксперимент Фейнмана?
Да, найдена потенциальная утечка достоверности. В экспериментах, доказывающих что-то странное из квантовой механики, внимание уделяют и гораздо менее вероятным проблемам.
- Грустно ли это?
Если бы эксперимент Фейнмана был проведен, а потом стало понятно, что он ничего не доказывает, это было бы печально. Но сейчас это чистая фантазия, ее не жалко.
- Граница между мирами классической и квантовой физики теперь стерта?
Нет. Теория пертурбативной квантовой гравитации сама по себе требует серьезного экспериментального подтверждения. На данный момент это один, как минимум, из четырех вариантов физики будущего.
- Странная ли новая физика, предложенная британскими учеными?
Да, все варианты решения проблемы квантовой гравитации странные. Все они позволяют нечто необычное для физики дня сегодняшнего. Теории струн позволяют создавать червоточины без сингулярностей и экзотической матери. Теория петлевой гравитации говорит, что в каждой черной дыре портал в другую Вселенную. Нужно подумать, какие возможности гипотетически открывает пертурбативная теория квантовой гравитации.
Что еще почитать по теме?
Все существующие предложения по квантовой гравитации имеют одну и ту же глубокую проблему. Их прогнозы чрезвычайно трудно проверить на практике. Квантовые эффекты в гравитационном поле исключительно малы, в отличие от электромагнитных. Фундаментальная причина заключается в том, что константа гравитационной связи примерно на 43 порядка меньше, чем константа тонкой структуры, которая регулирует взаимодействие света и материи. Например, обнаружение гравитонов - гипотетических квантов энергии гравитационного поля, предсказанных определенными предложениями квантовой гравитации - считается практически невозможным. В статье мы используем радикально иной подход, квантово-информационно-теоретический, который обходит эту проблему. Мы предлагаем эксперимент, чтобы стать свидетелем квантовоподобных особенностей в гравитационном поле, исследуя его с двумя массами каждая в суперпозиции двух мест.
Несмотря на почти столетие исследований, до сих пор неясно, как общая теория относительности и квантовая теория должны быть объединены? Обычный подход заключается в сохранении основополагающих принципов квантовой механики, таких как принцип суперпозиции, и изменении гравитационной теории. Это приводит к теории «квантовой гравитации». Противоположный подход - это «гравитационная квантовая теория», где мы пытаемся сохранить принципы теории относительности, такие как принцип эквивалентности, и рассмотреть, как это приводит к модификации квантовой механики. Чего нам больше всего не хватает в понимании того, какой путь выбрать - так это экспериментальное руководство. Здесь мы рассматриваем возможность использования конденсата Бозе-Эйнштейна для поиска подсказок.
Понимание гравитации в рамках квантовой механики является одной из больших проблем в современной физике. Вдоль этого главного вопроса заключается в том, чтобы выяснить, является ли гравитация квантовой сущностью, подчиняющейся правилам квантовой механики. Справедливо сказать, что пока нет осуществимых идей для проверки квантового когерентного поведения гравитации непосредственно в лабораторном эксперименте. Здесь мы вводим идею такого теста, основанную на принципе, что два объекта не могут быть запутаны без квантового медиатора.
Автор статьи - Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Группа ВК, Телеграмм канал, Ютуб канал
