Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?
Квантовая механика странная. Для нас, существ, не способных видеть микромир не вооруженным глазом, представить себе как все устроено на уровне атомов довольно сложно. Между тем, согласно атомной теории, все во Вселенной состоит из мельчайших частиц – атомов, скрепленных друг с другом электрическими и ядерными силами. Физические эксперименты, проведенные в ХХ веке показали, что атомы можно дробить на еще более мелкие, субатомные частицы. В 1911 году британский физик Эрнест Резерфорд провел ряд экспериментов и пришел к выводу, что атом похож на Солнечную систему, только по орбитам вместо планет вокруг него вращаются электроны. Два года спустя, взяв за основу модель Резерфорда, физик Нильс Бор изобрел первую квантовую теорию атома и в этой области теоретической физики все стало еще сложнее. Но если квантовая механика объясняет как взаимодействуют между собой мельчайшие частицы, может ли она объяснить существование пространства-времени?
Ученые ищут ответ на вопрос о том из чего состоит пространство-время уже много лет, но пока безуспешно
Что такое пространство-время?
Уверена, большинство из нас воспринимают пространственно-временной континуум как нечто, само собой разумеющееся. И в этом нет ничего удивительного, ведь не каждый день мы размышляем над чем-то подобным. Но если хорошенько задуматься, то окажется, что ответить на вопрос о том, что представляет собой пространство-время не так уж просто.
Начнем с того, что в соотвествии с теорией относительности (ОТО) Эйнштейна, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение. При этом все четыре измерения органически связаны в единое целое, являясь почти равноправными и в определенных рамках и условиях способными переходить друг в друга. В свою очередь пространственно-временной континуум или пространство-время – это физическая модель, дополняющая пространство временным измерением.
В рамках общей теории относительности пространство-время также имеет единую динамическую природу, а его взаимодействие со всеми остальными физическими объектами и есть гравитация.
В рамках ОТО теория гравитации и есть теория пространства-времени, которое не является плоским и способно менять свою кривизну.
Из ОТО также следует, что гравитация является результатом массы, такой как планета или звезда, искажающая геометрию пространства-времени. Космический аппарат NASA Gravity Probe, запущенный в 2004 году, точно измерил, насколько гравитация Земли искривляет пространство-время вокруг нее, в конечном итоге подтвердив расчеты Эйнштейна. Но откуда взялось пространство-время? Ответ, как это ни странно, может скрывать в себе квантовая механика.
Квантовая механика и теория гравитации
Как пишет портал Astronomy.com, сегодня физики стоят на пороге революции, которая может привести к пересмотру всего что мы знаем о пространстве-времени и, возможно, к объяснению того, почему квантовая механика кажется такой странной.
«Пространство-время и гравитация должны в конечном итоге возникнуть из чего-то другого», – пишет физик Брайан Свингл из Университета Мэриленда в статье, опубликованной в журнале Annual Review of Condensed Matter Physics. Иначе трудно понять, как гравитация Эйнштейна и математика квантовой механики могут примирить их давнюю несовместимость.
Квантовая механика противоречит ОТО
Взгляд Эйнштейна на гравитацию как проявление геометрии пространства-времени был чрезвычайно успешным. Но то же самое относится и к квантовой механике, которая с безошибочной точностью описывает махинации материи и энергии на атомном уровне. Однако попытки найти математическое решение, которое совместило бы квантовую странность с геометрической гравитацией, наталкивались на серьезные технические и концептуальные препятствия.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Google News чтобы не пропустить ничего интересного.
По крайней мере, так было долгое время при попытках понять обычное пространство-время. Возможный ответ пришел из теоретического изучения альтернативных геометрий пространства-времени, мыслимых в принципе, но обладающих необычными свойствами. Одна из таких альтернатив известна как антидеситтеровское пространство, которое имеет тенденцию сжиматься само по себе, а не расширяться, как это делает Вселенная. Для жизни, безусловно, это было бы не самое приятное место. Но как лаборатория для изучения теорий квантовой гравитации, оно может многое предложить и даже стать ключом к квантовым процессам, которые могут быть ответственны за создание пространства-времени.
Что такое антидеситтеровское пространство?
Исследования антидеситтеровское пространства предполагают, например, что математика, описывающая гравитацию (то есть геометрию пространства-времени), может быть эквивалентна математике квантовой физики в пространстве с одним меньшим измерением.
Представьте себе голограмму — плоскую двумерную поверхность, которая включает в себя трехмерное изображение. Подобным же образом, возможно, четырехмерная геометрия пространства-времени может быть закодирована в математике квантовой физики, работающей в трехмерном пространстве. Или, может быть, нужно больше измерений — а вот сколько измерений требуется, являются частью проблемы, которую нужно решить.
Квантовая запутанность – одна из сложнейших для понимания научных теорий
Во всяком случае, исследования в этом направлении открыли удивительную возможность: само пространство-время может быть порождено квантовой физикой, в частности загадочным явлением, известным как квантовая запутанность. Подробно о том, что представляет собой квантовая запутанность я рассказывала в этой статье.
Если попробовать объяснить более-менее простыми словами, то квантовая запутанность это сверхъестественная связь между частицами, разделенными огромными расстояниями. Испускаемые из общего источника, такие частицы остаются запутанными независимо от того, как далеко они друг от друга находятся. Если вы измерите свойство (например, спин) одной частицы, то узнаете, каким будет результат измерения спина другой частицы. Но до измерения эти свойства еще не определены, что противоречит здравому смыслу и подтверждается многими экспериментами. Кажется, что измерение в одном месте определяет, каким будет измерение в другом отдаленном месте.
Энергичные усилия нескольких физиков подарили миру теоретические доказательства того, что сети запутанных квантовых состояний плетут ткань пространства-времени. Эти квантовые состояния часто описываются как «кубиты» — биты квантовой информации. Запутанные кубиты создают сети с геометрией в пространстве с дополнительным измерением, выходящим за пределы числа измерений, в которых находятся кубиты. Таким образом, квантовую физику кубитов можно приравнять к геометрии пространства с дополнительным измерением.
Примечательно, что геометрия, созданная запутанными кубитами, может очень хорошо подчиняться уравнениям из общей теории относительности Эйнштейна, которые описывают движение под действием гравитации — по крайней мере, последние исследования указывают в этом направлении.
Подводя итог отмечу, что никто точно не знает, какие квантовые процессы в реальном мире ответственны за соткание ткани пространства-времени. Возможно, некоторые допущения, сделанные в уже имеющихся расчетах, окажутся ошибочными. Но вполне возможно, что физика стоит на пороге проникновения в основы природы глубже, чем когда-либо. В существование, содержащее ранее неизвестные измерения пространства и времени.
Источник
Квантовая гравитация открывает новый взгляд на пространство-время
Явление гравитации открыл в конце 16 века Галилео Галилей, доказавший равенство гравитационного ускорения для всех объектов. Затем, свой вклад внес Исаак Ньютон. Позже, уже в 20-м веке, свои умозаключения представил Эйнштейн. Но ни одна из теорий уважаемых ученых прошлого не описывает всех нюансов гравитации. И это подталкивает к мысли о том, что настало время изучить гравитацию в свете квантовой механики. Квантовая гравитация может более полно объяснить происходящее с телами и их связями на уровне частиц.
Квантовая гравитация, как явление, берет свое начало в работах русского физика Льва Ландау. Его теория была проверена и подтверждена его коллегой Бронштейном. Так же были определены две важнейшие составляющие квантовой гравитации — квантовое пространство и квантовое время. Опираясь на это явление, ученые могут сформулировать новое понимание структуры пространства-времени, разительно отличающееся от существующих представлений.
Согласно новой теории, в нашей Вселенной есть некая минимальная длина, выше которой пространство и время выглядят гладкими. Если же уменьшить масштаб, то отпадает смысл говорить о расстояниях. Такой масштаб характерен тем, что в нем происходят квантовые флуктуации гравитационного поля. Это делает пространство-время похожими на пену (квантовая пена). Таким образом, можно установить, что структура пространства-времени может меняться при изменении масштаба.
Вместе авторами данной теории мы надеемся, что однажды эта увлекательная структура сможет раскрыть самые глубокие тайны нашей Вселенной.
Источник
10 загадок пространства-времени, которые сможет решить квантовая гравитация
Общая теория относительности Эйнштейна, в которой гравитация рождается вследствие искривления пространства-времени, замечательна. Она была подтверждена с невероятным уровнем точности, в некоторых случаях до пятнадцати знаков после запятой. Одним из самых интересных ее предсказаний было существование гравитационных волн: ряби в пространстве-времени, которая свободно распространяется. Не так давно эти волны были пойманы детекторами LIGO и VIRGO.
Квантовая гравитация может объяснить многое.
Теория квантовой гравитации
И все же существует много вопросов, ответов на которые у нас пока нет. Квантовая гравитация могла бы помочь их найти.
Мы знаем, что общая теория относительности неполна. Она хорошо проявляет себя, когда квантовые эффекты пространства-времени совсем незаметны, а это почти всегда. Но когда квантовые эффекты пространства-времени становятся большими, нам нужна теория получше: теория квантовой гравитации.
Иллюстрация ранней Вселенной, состоящей из квантовой пены, когда квантовые флуктуации были огромными и проявлялись на мельчайших масштабах
Поскольку мы пока не составили теорию квантовой гравитации, мы не знаем, что такое пространство и время. У нас есть несколько подходящих теорий для квантовой гравитации, но ни одна из них не принята широко. Тем не менее, исходя из существующих подходов, мы можем предположить, что может произойти с пространством и временем в теории квантовой гравитации. Физик Сабина Хоссфендер собрала десять поразительных примеров.
Примеры воздействия квантовой гравитации
1) В квантовой гравитации в пространстве-времени будут дикие флуктуации даже в отсутствие вещества. В квантовом мире вакуум никогда не пребывает в состоянии покоя, равно как и пространство и время.
На самых малых квантовых масштабах Вселенная может быть заполнена крошечными микроскопическими черными дырами с малыми массами. Эти дыры могут соединяться или расширяться внутрь в весьма интересной манере
2) Квантовое пространство-время может быть заполнено микроскопическими черными дырами. Более того, в нем могут быть червоточины или рождаться младенческие вселенные – как маленькие пузырьки, которые отрываются от материнской вселенной.
3) B поскольку это квантовая теория, пространство-время может делать все это одновременно. Оно может одновременно создавать младенческую вселенную и не создавать ее.
Ткань пространства-времени может быть вовсе не тканью, а состоять из дискретных компонентов, которые лишь кажутся нам непрерывной тканью на больших макроскопических масштабах.
4) В большинстве подходов к квантовой гравитации, пространство-время не фундаментально, а состоит из чего-то еще. Это могут быть струны, петли, кубиты или варианты «атомов» пространства-времени, которые появляются в подходах с конденсированной материей. Отдельные составляющие можно разобрать лишь с применением высочайших энергий, намного превышающих те, что доступны нам на Земле.
5) В некоторых подходах с конденсированной материей пространство-время обладает свойствами твердого или жидкого тела, то есть может быть эластичным или вязким. Если это действительно так, неизбежны наблюдаемые последствия. Физики в настоящее время ищут следы подобных эффектов в странствующих частицах, то есть в свете или электронах, которые добираются к нам из далекого космоса.
Схематическая анимация непрерывного луча света, рассеиваемого призмой. В некоторых подходах к квантовой гравитации пространство может выступать как дисперсионная среда для различных длин волн света
6) Пространство-время может влиять на то, как свет через него проходит. Оно может не быть полностью прозрачным, либо же свет разных цветов может двигаться с разной скоростью. Если квантовое пространство-время влияет на распространение света, это тоже можно будет наблюдать в будущих экспериментах.
7) Флуктуации пространства-времени могут разрушать способность света от удаленных источников создавать интерференционные картины. Этот эффект искали и не нашли, по крайней мере в видимом диапазоне.
Свет, проходящий через две толстые щели (сверху), две тонкие щели (в центре) или одну толстую щель (снизу), демонстрирует интерференцию, указывающую на его волновую природу. Но в квантовой гравитации некоторые ожидаемые интерференционные свойства могут быть невозможны
8) В областях сильной кривизны время может превращаться в пространство. Это может происходить, например, внутри черных дыр или при большом взрыве. В таком случае известное нам пространство-время с тремя пространственными и измерениями и одним временным может превращаться в четырехмерное «евклидово» пространство.
Соединение двух разных мест в пространстве или времени через червоточину остается лишь теоретической идеей, но она может быть не просто интересной, но и неизбежной в квантовой гравитации
Пространство-время может быть нелокально связано с крошечными червоточинами, пронизывающими всю вселенную. Такие нелокальные соединения должны существовать во всех подходах, чья базовая структура не является геометрической вроде графа или сети. Это связано с тем, что в таких случаях понятие «близости» будет не фундаментальным, а вытекающим и несовершенным, так что удаленные области могут быть случайно связанными.
В нашем Telegram-канале вы найдете много простых объяснения для сложных научных вопросов.
10) Возможно, чтобы объединить квантовую теорию с гравитацией, нам нужно обновить не гравитацию, а саму квантовую теорию. Если это так, последствия будут далеко идущими. Поскольку квантовая теория лежит в основе всех электронных устройств, ее пересмотр откроет совершенно новые возможности.
Хотя квантовая гравитация часто рассматривается как сугубо теоретическая идея, существует множество возможностей для проведения экспериментальной проверки. Все мы путешествуем через пространство-время каждый день. Его понимание может изменить нашу жизнь.
Источник