Эйнштейн ошибался? Астрофизики сомневаются в теории пространства-времени

Вместо притяжения Эйнштейн видел гравитацию как результат искривленного пространства. Он сказал, что все объекты во Вселенной находятся в гладкой четырехмерной ткани, называемой пространством-временем. Массивные объекты, такие как Солнце, искажают пространство-время вокруг себя, и поэтому орбита Земли - это просто результат того, что наша планета следует этой кривизне. Для нас это похоже на гравитационное притяжение Ньютона.

Открытие гравитационных волн в 2015 году лишь подтвердило решающей победой, но, как и его предшественники, оно тоже могло вот-вот пасть. Это потому, что он принципиально несовместим с другим большим зверем в физическом зоопарке: квантовой теорией.

Квантовый мир, как известно, странный. Например, отдельные частицы могут находиться одновременно в двух местах. Только делая наблюдение, мы заставляем его “выбирать“. Перед наблюдением мы можем только приписать вероятности вероятным результатам. В 1930-х годах Эрвин Шредингер изобрел знаменитый способ разоблачить извращенность этой идеи. Он представил кота в запечатанном ящике, сопровождаемого пузырьком с ядом, прикрепленным к молотку. Молоток подключен к устройству, которое измеряет квантовое состояние частицы. Разобьет ли молоток флакон и убьет ли кошку - зависит от этого измерения, но квантовая физика говорит, что до тех пор, пока такое измерение не будет произведено, частица одновременно находится в обоих состояниях, что означает, что флакон сломан и не разбит, а кошка живая и мертвая одновременно.

Такая картина несовместима с гладкой сплошной тканью пространства-времени. “Гравитационное поле не может быть в двух местах одновременно“, - сказала Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик Франкфуртского института перспективных исследований. Согласно Эйнштейну, пространство-время искажается материей и энергией, но квантовая физика утверждает, что материя и энергия существуют в нескольких состояниях одновременно - они могут быть как здесь, так и там. “Так где же гравитационное поле?“ - спрашивает Хоссенфельдер. “Ни у кого нет ответа на этот вопрос. Это как-то неловко“, - сказала она.

Попробуйте использовать вместе общую теорию относительности и квантовую теорию, и это не сработает. “Выше определенной энергии вы получаете вероятность больше единицы“, - сказала Хоссенфельдер. Один из них - это максимально возможная вероятность - это означает, что результат определен. Вы не можете быть более уверены, чем уверены. Точно так же вычисления иногда дают вам ответ бесконечность, который не имеет реального физического смысла. Следовательно, две теории математически несовместимы. Итак, как и многие монархи на протяжении всей истории, физики стремятся заключить брак между соперничающими фракциями, чтобы обеспечить мир. Они ищут теорию квантовой гравитации - окончательное дипломатическое упражнение, чтобы заставить этих двух соперников разделить трон. Это привело к тому, что теоретики обратились к некоторым диковинным возможностям.

Пожалуй, самая известная из них - теория струн. Идея состоит в том, что субатомные частицы, такие как электроны и кварки, состоят из крошечных вибрирующих струн. Подобно тому, как вы можете играть на струнах на музыкальном инструменте, чтобы создавать разные ноты, теоретики струн утверждают, что разные комбинации струн создают разные частицы. Привлекательность теории в том, что она может согласовать общую теорию относительности и квантовую физику, по крайней мере, на бумаге. Однако, чтобы вытащить этого кролика из шляпы, струны должны колебаться в одиннадцати измерениях - на семь больше, чем четыре в пространственно-временной ткани Эйнштейна. Пока нет экспериментальных доказательств того, что эти дополнительные измерения действительно существуют. “Это может быть интересная математика, но описывает ли она пространство-время, в котором мы живем, мы не знаем, пока не будет проведен эксперимент“, - сказал Йорма Луко из Ноттингемского университета.

Частично вдохновленные предполагаемыми недостатками теории струн, другие физики обратились к альтернативе, называемой петлевой квантовой гравитацией (LQG). Они могут заставить обе теории хорошо разыграться, если откажутся от одного из центральных постулатов общей теории относительности: пространство-время - это гладкая непрерывная ткань. Вместо этого, утверждают они, пространство-время состоит из ряда переплетенных петель - что у него есть структура в масштабах мельчайших размеров. Это немного похоже на кусок ткани. На первый взгляд выглядит как одна гладкая ткань. Однако приглядитесь, и вы увидите, что он действительно сделан из сети стежков. Или подумайте об этом как о фотографии на экране компьютера: увеличьте масштаб, и вы увидите, что она действительно состоит из отдельных пикселей.

Проблема в том, что когда физики LQG говорят “маленький“, они имеют в виду действительно “маленький“. Эти дефекты пространства-времени будут очевидны только на уровне планковской шкалы - около триллионной триллионной триллионной метра. Это настолько мало, что в кубическом сантиметре пространства было бы больше петель, чем кубических сантиметров во всей наблюдаемой Вселенной. “Если пространство-время отличается только в масштабе Планка, тогда это будет трудно проверить на любом ускорителе элементарных частиц“, - говорит Луко. Вам понадобится сокрушитель атомов, в 1000 триллионов раз более мощный, чем Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе. Как же тогда обнаруживать такие маленькие пространственно-временные дефекты? Ответ - смотреть через большую площадь пространства.

Свет, приходящий сюда из самых дальних уголков Вселенной, прошел миллиарды световых лет в пространстве-времени. Хотя эффект от каждого пространственно-временного дефекта будет крошечным, на этих расстояниях взаимодействие с множеством дефектов вполне может привести к потенциально наблюдаемому эффекту. В течение последнего десятилетия астрономы использовали свет от далеких гамма-всплесков для поиска доказательств в поддержку LQG. Эти космические вспышки являются результатом коллапса массивных звезд в конце своей жизни, и в этих далеких взрывах есть что-то, что мы в настоящее время не можем объяснить. “Их спектр имеет систематическое искажение“, - сказала Хоссенфельдер, но никто не знает, происходит ли это по дороге сюда или связано с самим источником всплесков. 

Чтобы добиться прогресса, нам, возможно, придется пойти еще дальше, чем сказать, что пространство-время не является гладкой непрерывной тканью, которую предлагал Эйнштейн. Согласно Эйнштейну, пространство-время похоже на сцену, которая остается на месте независимо от того, наступают ли актеры на ее доски или нет - даже если бы не было звезд или планет, танцующих вокруг, пространство-время все равно присутствовало бы. Однако физики Лоран Фрейдель, Роберт Ли и Джордже Минич считают, что эта картина нас сдерживает. Они считают, что пространство-время не существует независимо от объектов в нем. Пространство-время определяется способом взаимодействия объектов. Это сделало бы пространство-время артефактом самого квантового мира, а не чем-то, что можно было бы с ним объединить. “Это может показаться странным, - сказал Миник, - но это очень точный способ решения проблемы“.

Привлекательность этой теории, называемой модульным пространством-временем, заключается в том, что она может помочь решить еще одну давнюю проблему теоретической физики, касающуюся того, что называется локальностью, и печально известного явления в квантовой физике, называемого запутанностью. Физики могут создать ситуацию, в которой они объединяют две частицы и связывают их квантовые свойства. Затем они разделяют их на большое расстояние и обнаруживают, что они все еще связаны. Измените свойства одного, и другое изменится мгновенно, как если бы информация передавалась от одного к другому со скоростью, превышающей скорость света, что является прямым нарушением теории относительности. Эйнштейн был так взволнован этим явлением, что назвал его “жутким действием на расстоянии“.

Теория модульного пространства-времени может приспособиться к такому поведению, переопределив, что значит быть разделенным. Если пространство-время возникает из квантового мира, то быть ближе в квантовом смысле более фундаментально, чем быть рядом в физическом. “У разных наблюдателей разные представления о местности, - сказал Минич, - это зависит от контекста“. Это немного похоже на наши отношения с другими людьми. Мы можем чувствовать себя ближе к любимому человеку вдалеке, чем к незнакомцу, живущему на улице. “У вас могут быть эти нелокальные соединения, если они довольно небольшие“, - сказал Хоссенфельдер.

Фрейдель, Ли и Миник работали над своей идеей последние пять лет и считают, что постепенно добиваются прогресса. “Мы хотим быть консервативными и делать все постепенно, - сказал Минич, - но это дразняще и захватывающе“. Это, безусловно, новый подход, направленный на “гравитацию“ квантового мира, а не на квантование гравитации, как в LQG. Однако, как и любую научную теорию, ее необходимо проверить. В настоящий момент трио работает над тем, как вписать время в свою модель.

Все это может звучать невероятно эзотерически, о чем должны заботиться только ученые, но это может иметь более глубокое влияние на нашу повседневную жизнь. “Мы сидим в пространстве, мы путешествуем во времени, и если что-то изменится в нашем понимании пространства-времени, это повлияет не только на наше понимание гравитации, но и на квантовую теорию в целом“, - сказала Хоссенфельдер. “Все наши нынешние устройства работают только благодаря квантовой теории. Если мы лучше поймем квантовую структуру пространства-времени, это окажет влияние на технологии будущего - может быть, не через 50 или 100 лет, но, возможно, через 200“, - сказала она.