СЛЕДОВАТЬ
Одна из самых больших проблем в современной физике — найти единую или «объединенную» теорию, которая могла бы описать все законы природы в единой структуре. Одна, которая соединяет две великие (и непримиримые) теории, которые сегодня используют ученые для понимания реальности: Общая теория относительности Эйнштейна, описывающая Вселенную в крупном масштабе; и квантовая механика, которые описывают наш мир на атомном уровне. Почему эти две успешные теории подходят друг другу — одна из самых больших загадок, стоящих перед наукой.
Если эта теория «квантовой записи» подтвердится, она будет включать в себя как макроскопическое, так и микроскопическое описание реальности, а наша также даст глубокое понимание недоступных сегодня явлений, таких как черные дыры или момент, когда была создана Вселенная.
Но как это получить? На протяжении почти столетия поколения физиков безуспешно пытались понять, почему законы, действующие в сфере очень малых величин, «не работают» в окружающем нас макроскопическом мире, и наоборот. Теперь группа исследователей из Технологического университета Чалмерса в Швеции совместно с американским Массачусетским технологическим институтом опубликовала статью в «Nature Communications», в которой они предполагают, что гравитация, сила, которая доминировала во Вселенной, возникает в больших масштабах. на самом деле из квантового мира. Чтобы прийти к этому необычному выводу, исследователи прибегли к высшей математике и так называемому «голографическому принципу».
«Наши усилия понять природу глазами, — объясняет Дэниел Перссон, соавтор исследования, — и язык, на котором написаны эти законы, — математика. Когда мы ищем ответы на вопросы физики, они часто приводят нас и к новым открытиям в математике. Это взаимодействие особенно заметно в поисках квантовой гравитации, где крайне сложно проводить эксперименты».
Пример явления, требующего такого типа единого описания своих черных дыр. Черная дыра образуется, когда достаточно тяжелая звезда коллапсирует под действием собственного гравитационного притяжения, так что вся ее масса концентрируется в чрезвычайно маленьком объеме. Описание квантовой механики черных дыр все еще находится в зачаточном состоянии, но оно включает впечатляющую передовую математику.
В данном случае с единой теорией, как объяснил Роберт Берман, первый автор статьи, «задача состоит в том, чтобы описать, как формировалась гравитационная волна как «эмерджентное» явление. Точно так же, как повседневные явления, такие как поток жидкости, возникают из хаотических движений отдельных капель, мы хотим описать, как гравитация возникает из квантово-механической системы на микроскопическом уровне».
Из этой формы исследователи продемонстрировали, как гравий возникает из специальной системы квантовой механики, в модели, упрощенной квантовым гравием, называемой «голографическим принципом».
«Используя математические методы, которые я уже исследовал ранее, — продолжает Берман, — нам удалось сформулировать объяснение того, как гравитация возникает по голографическому принципу, более точным, чем раньше».
Новый предмет также может предложить новый способ борьбы с таинственной темной энергией. В общей теории относительности Эйнштейна гравитация описывается как геометрическое явление. Как только что застеленная кровать прогибается под тяжестью человека, так и тяжелые предметы могут искривлять пространство-время, «ткань», из которой состоит Вселенная.
Но согласно теории Эйнштейна, даже пустое пространство, «вакуумное состояние» Вселенной, имеет богатую геометрическую структуру. Если бы мы увеличили масштаб и посмотрели на эту пустоту в микроскоп, мы бы увидели крошечные квантово-механические флуктуации или волны, известные как темная энергия, таинственная сформировавшаяся энергия, которая, как считается, ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной.
Исследование может привести к трезвому новому пониманию того, как возникают эти квантово-механические микроскопические волны, а также взаимосвязи между теорией гравитации Эйнштейна и квантовой механикой, над чем ученые работали десятилетиями.
«Эти результаты, — заключает Перссон, — открывают возможность проверки других аспектов голографического принципа, таких как микроскопическое описание черных дыр. Мы также надеемся, что сможем использовать эти новые идеи в будущем, чтобы открыть новые горизонты в математике».
