Ученые приблизились к созданию новой теории квантовой гравитации
Классические модели физики – законы движения Ньютона и Общая теория относительности Эйнштейна предполагают, что такие свойства объекта как положение и движение являются абсолютными. Эти теории являются венцом достижений современной физики, описывающей природу изысканно, но по отдельности. ОТО имеет дело с большими знакомыми объектами и событиями Вселенной, в то время как квантовая механика охватывает невидимый и странный микромир, где две частицы, разделенные тысячами световых лет, могут мгновенно реагировать на движения друг друга. Эти два теоретических мира, определенный классический и неопределенный квантовый, работают чрезвычайно хорошо. Классический для больших массивных объектов, таких как бейсбольные мячи и планеты, и квантовый для малых легких объектов, таких как атомы и молекулы. Однако оба этих подхода рушатся, когда мы пытаемся изучать массивные, но маленькие объекты, например внутреннее устройство черных дыр или наблюдаемую Вселенную вскоре после Большого взрыва. Но почему?
Новый подход может выявить связь между гравитацией и квантовой механикой
Как устроена Вселенная
Гравитация является первой фундаментальной силой, существование которой признало человечество, но она по-прежнему остается наименее понятной. Физики могут предсказать влияние гравитации на шары для боулинга, звезды и планеты с исключительной точностью, но никто не знает, как эта сила взаимодействует с мельчайшими частицами или квантами. Пожалуй, неудивительно, что на создание квантовой теории, описывающей как мельчайшие частицы Вселенной взаимодействуют между собой, у ученых ушло почти столетие. Многие полагали что один гравитационный свод правил должен управлять всеми галактиками, кварками и тем, что находится между ними.
Чтобы основать радикально новый подход к определению того, как наша Вселенная устроена на самом фундаментальном уровне, ученые обратились к передовым исследованиям в области квантовых вычислений и квантовых технологий. Недавно международная группа экспертов во главе с исследователями из Ноттингемского университета продемонстрировала, что только квантовая, а не классическая гравитация может быть использована для создания определенного информационного компонента, необходимого для квантовых вычислений.
«Более ста лет физики боролись за то, чтобы определить, как две фундаментальные теории науки, квантовая теория и общая теория относительности, которые соответственно описывают микроскопические и макроскопические явления, объединены в единую всеобъемлющую теорию природы», – отмечает ведущий автор исследования доктор Ричард Хоул.
«За это время они разработали два принципиально противоположных подхода, названных «квантовой гравитацией» и «классической гравитацией». Однако полное отсутствие экспериментальных данных означает, что физики не знают, какой подход на самом деле использует всеобъемлющая теория. Наше исследование предоставляет экспериментальный подход к решению этой проблемы,» –отмечают авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review journal.
Когда вы хотите узнать как гравитация массивной звезды искривляет свет, то достаете учебник по теоретической физике ОТО. Но если ваша цель – разобраться в том, как электроны движутся через компьютерный чип, придется взять в руки учебник по квантовой механике.
Новая теория квантовой гравитации
Так как в ходе нового исследования эксперты в области квантовых вычислений, квантовой гравитации и квантовых экспериментов работали вместе, им удалось обнаружить неожиданную связь между областями квантовых вычислений и квантовой гравитацией и даже использовать ее, чтобы предложить новый экспериментальной способ проверки того, что существует квантовая, а не классическая гравитация.
«Если теории квантовой гравитации нет, то Вселенная – это просто хаос. Случайность», – сказала Нетта Энгельгардт, физик-теоретик из Массачусетского технологического института в интервью изданию Wired.
Предлагаемый эксперимент, как пишет Phys.org, заключается в охлаждении миллиардов атомов в сферической ловушке миллиметрового размера до экстремально низких температур. Именно в таких условиях атомы переходят в состояние, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна и начинают вести себя согласованно, будто один большой квантовый атом. Затем к «атому», чтобы он ощущал только свое собственное гравитационное притяжение, прикладывается магнитное поле.
Авторы научной работы отмечают, что если их теория квантовой гравитации верна, тогда в изменении характеристик системы будет наблюдаться определенные несоответствия. Примечательно, что эксперимент должен состояться в самое ближайшее время, так как у ученых уже есть все необходимые для него технологии. Если все пройдет хорошо, то после более чем ста лет исследований, физики, наконец, получат информацию об истинной всеобъемлющей, фундаментальной теории природы, той самой теории всего.
Гравитационные волны порожденные слиянием нейтронных звезд в исполнении художника. Первичная Вселенная – еще один источник гравитационных волн, которые, если их обнаружить, могут помочь физикам разработать квантовую теорию гравитации.
Еще больше увлекательных статей о том, как устроена Вселенная и какие силы ей управляют, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте
Доктор Мариос Христодулу из Гонконгского университета, участвовавший в этом сотрудничестве, добавил: «Это исследование особенно интересно, поскольку предложенный эксперимент также связан с более философской идеей о том, что Вселенная ведет себя как огромный квантовый компьютер, который вычисляет сам себя, демонстрируя, что квантовые флуктуации пространства-времени являются огромным природным ресурсом для квантовых вычислений.» Ну а пока будем ждать. Кто знает, быть может мир стоит на грани нового, удивительного открытия.
Источник
Что такое гравитация и как она работает?
Латинское слово gravitas означает вес и дает нам слово «гравитация», которое является силой, которая дает объектам их вес. Это также корень слова «гравитировать», которое описывает то, что делает гравитация: заставляет объекты притягиваться друг к другу. Это то, что удерживает людей на Земле и держит Землю на своем месте в Солнечной системе. Хотя древние философы задавались вопросом, почему объекты падали столетия назад, у ученых до сих пор остаются вопросы о том, как действует гравитация и сегодня.
Что такое гравитация?
Проще говоря, гравитация — это сила, которая притягивает два тела друг к другу. Все, что имеет материю, то есть все, к чему можно прикоснуться, имеет гравитационное притяжение. Это включает в себя яблоки, людей и Землю. Несмотря на термин невесомость, невозможно избежать гравитационных сил. Космонавты все еще подвержены воздействию гравитации, но они движутся так быстро, что не приближаются к центру планеты и находятся в постоянном состоянии свободного падения.
Гравитация, масса и расстояние
Степень гравитации любого объекта пропорциональна массе объекта. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Поскольку Земля является самым крупным и ближайшим объектом вокруг, все притягивается к ее гравитационному притяжению, а это означает, что яблоки падают на землю, а не притягиваются к голове человека.
Расстояние также влияет на гравитацию. Если объект находится далеко, то гравитационное притяжение слабее. Например, в космосе есть точка, где притяжение Марса становится сильнее притяжения Земли.
Фундаментальные силы во Вселенной
По мнению физиков, четыре фундаментальные силы Вселенной — это гравитация, электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. Силы изменяют движение объекта, и эти четыре фундаментальные силы определяют, как все во Вселенной взаимодействует. Гравитация — самая слабая сила, но она наиболее легко видима и оказывает наибольшее влияние на крупномасштабном уровне. Это не только причина, по которой люди могут ходить по Земле, но и удерживает планеты, вращающиеся по орбите вокруг Солнца, и Солнце на своем месте в галактике.
Древняя история гравитационной теории
Древние греки верили, что сила, притягивающая предметы к Земле, была внутренней тяжестью, а не внешней силой. Тяжелые люди естественным образом притягиваются к Земле, в то время как легкие языки пламени прыгают к небу. Напротив, индийские ученые, в частности Арьябхата, говорили, что некая сила удерживает объекты на Земле, хотя его теория помещает Землю в центр вселенной. В 600-х годах н. э. математик Брахмагупта был первым, кто описал гравитацию как силу притяжения.
Гравитационная теория эпохи Возрождения
Говорят, что Галилей бросал предметы со стороны падающей Пизанской башни, чтобы наблюдать, что происходит, когда они падают. Независимо от того, была ли задействована башня или нет, Галилей обнаружил, что все объекты имеют тенденцию ускоряться с одинаковой скоростью при падении. Другие ученые основывались на своей работе, а Гримальди и Риччоли вычислили гравитационную постоянную. Другие работы по гравитации сосредоточены вокруг астрономии и Иоганна Кеплера, построенного на этих теориях для расчета орбит известных планет.
Закон всемирного тяготения
Другая легенда о гравитации гласит, что Исаак Ньютон был поражен падающим яблоком и понял, что должна быть сила, заставляющая вещи падать на землю. Он написал уравнение, в котором описывается сила гравитации, показывающее, что чем массивнее объекты, тем больше сила притяжения между ними. Оно также показало, что чем дальше они находятся, тем слабее тяга. Некоторые планеты двигались так, что не могли объяснить это уравнение, но по большей части оно существовало веками.
Эйнштейн и общая теория относительности
Теория общей относительности Эйнштейна изменила взгляд физиков на гравитацию. Считается, что воздействие гравитации вызвано не силой, а кривой в пространстве-времени, которая возникает вокруг крупных объектов, а скорее похожа на шар для боулинга, сидящий на батуте. Эта теория объяснила странную орбиту Меркурия и установила ньютоновскую гравитацию на его голову, поскольку гравитация больше не была силой, а следствием геометрии.
Что делает гравитация?
Гравитация оказывает несколько воздействий на реальный мир. Помимо того, что гравитация не только удерживает предметы на земле, но и придает им вес. Объекты меньше весят на планетах с меньшей гравитационной тягой. Гравитация Луны — это сила, которая создает океанские приливы. Гравитация также удерживает Землю на комфортном расстоянии от Солнца и удерживает атмосферу на месте, давая всем живым существам воздух, пригодный для дыхания, и защищая их от солнечного излучения.
Гравитация и сотворение Вселенной.
Гравитация также является существенным элементом в создании Вселенной. Газы, существующие во Вселенной, притягиваются друг к другу под действием гравитации и объединяются в крупные объекты, в том числе звезды и планеты. Некоторые исследователи считают, что именно гравитация стабилизировала частицы после Большого взрыва, остановив коллапс Вселенной. Гравитация притягивает солнечные системы друг к другу, образуя галактики, и как таковая является основополагающим элементом в создании Вселенной.
Гравитация и научные исследования
Научные исследования в области гравитации будут продолжаться и в будущем. Теория относительности объясняет некоторые аномалии в ньютоновской гравитации; во Вселенной все еще есть тайны, которые ученые не могут объяснить. Гравитация не вписывается в теорию квантовых полей, и ученые до сих пор исследуют, как она соединяется с другими фундаментальными силами. Исследования гравитации также имеют более практическое применение. Космические аппараты НАСА отслеживают изменения гравитации Земли, что помогает ученым отслеживать изменения уровня моря и земной коры.
Источник
Загадки Вселенной, часть 1: Гравитация
Вселенная — это очень странное место, полное загадок и необъяснимых явлений. Несмотря на то, что ученые постоянно пытаются найти ответы на все вопросы, некоторые тайны бытия могут навсегда остаться неразгаданными независимо от того, насколько далеко зайдет развитие нашей науки и цивилизации.
- Мы начинаем обзор фундаментальных явлений и вопросов о Вселенной, которые нам, вероятно, никогда не удастся изучить до конца.
1. Мы никогда не узнаем, что такое гравитация
Одна из самых больших загадок в науке — природа гравитации. Это сила, с которой мы постоянно имеем дело, но в действительности знаем о ней меньше чем нам хотелось бы. Ньютон попытался решить эту проблему и придумал общий способ выразить то, как она себя ведет. Однако ньютоновские идеи оказались недостаточны для понимания того, как гравитация может действовать на расстоянии. Эйнштейн продвинулся дальше в объяснении механики этого феномена, но сам провел последние десятилетия своей жизни, пытаясь выяснить, что есть гравитация по своей природе. Увы, безрезультатно.
Сегодня ученые знают, как эта сила ведет себя в рамках пространства и времени, и могут предсказать различные варианты ее действия очень точно. Но что лежит в основе тяготения, остается неизвестным. Идеи на этот счет разнятся. Предположение о существовании элементарной частицы гравитона , передающей эту силу, является одной из гипотез. Проблема в том, что гравитоны так и не были обнаружены, и есть серьезные сомнения, что они вообще существуют.
Другой взгляд на проблему лежит в пределах эйнштейновского описания гравитации как искривления пространства-времени или «врожденного» ускорения в сторону массивных объектов. Однако вновь это неполное представление, которое лишь точнее описывает, как проявляет себя сила, но не саму природу явления.
Возможно, самый странный аспект гравитации заключается в том, что это невероятно слабая сила. Ведь чтобы просто удержать вас на поверхности Земли, требуется вся ее масса, чтобы произвести достаточно гравитации для этого. Тем не менее, мы без особых проблем преодолеваем силу тяжести планеты, когда запускаем наши аппараты в космос. Вопрос «почему она так слаба» только добавляет к тайне феномена. Возникла даже гипотеза о том, что гравитация в может просачиваться в другие измерения , что якобы объясняет ее слабость в нашем континууме. Однако никаких научных подтверждений подобным «утечкам» не существует.
Таким образом, гравитация остается большой загадкой. Возможно, нам удастся однажды разгадать ее тайну, но есть также шанс, что мы никогда не сможем понять природу этого явления.
Продолжение следует.
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить следующие выпуски. До новых встреч!
Источник