Одной из величайших нерешенных проблем современной физики остается объединение квантовой теории, описывающей мир мельчайших частиц, и общей теории относительности Эйнштейна, объясняющей гравитацию и движение космических тел. Эти две фундаментальные теории успешно работают в своих областях, но противоречат друг другу, создавая разрыв в нашем понимании Вселенной. Физики десятилетиями предлагали различные теории квантовой гравитации, такие как теория струн и петлевая квантовая гравитация, но им не хватало проверяемых предсказаний, которые можно было бы наблюдать экспериментально.
Исследователи из Венского технологического университета (TU Wien) сделали важный шаг вперед, предложив возможный наблюдаемый эффект, который они сравнивают с поиском "туфельки Золушки" среди теорий квантовой гравитации. "В квантовой гравитации у нас до сих пор не было такой туфельки — наблюдаемого явления, которое четко указывало бы, какая теория правильная", — объясняет профессор Бенджамин Кох. Ученые сосредоточились на ключевом понятии теории относительности — геодезических линиях, которые описывают кратчайшие пути движения тел в искривленном пространстве-времени.
В классической физике массивные объекты вроде Солнца искривляют пространство-время, а другие тела движутся по этим искривленным геодезическим траекториям, как Земля вокруг Солнца. Исследователи попытались применить квантовые принципы к метрике пространства-времени — математическому описанию его кривизны. В квантовой физике частицы обладают вероятностными, "размытыми" свойствами, и применение этих принципов к пространству-времени означает, что его кривизна также становится подверженной квантовой неопределенности.
Хотя эта задача создает огромные математические сложности, команде ученых удалось квантовать метрику для важного частного случая — статического сферически симметричного гравитационного поля, подобного солнечному. Они вывели новое "q-дезическое уравнение" (отсылка к классическим геодезическим), описывающее движение частиц в квантовом пространстве-времени. "Это уравнение показывает, что в квантовом пространстве-времени частицы не всегда движутся точно по кратчайшему пути между двумя точками, как предсказывает классическая геодезическая теория", — поясняет профессор Кох.
При рассмотрении только обычной гравитации различия между классическими и квантовыми предсказаниями оказываются ничтожно малыми — порядка 10^-35 метров, что совершенно недоступно для экспериментального обнаружения. Однако ситуация кардинально меняется при учете космологической постоянной — параметра в уравнениях общей теории относительности, который описывает плотность энергии вакуума пространства и считается простейшей формой тёмной энергии. Именно тёмная энергия, как полагают, вызывает ускоренное расширение Вселенной, обнаруженное в конце 1990-х годов. "И когда мы это сделали, нас ждал сюрприз", — сообщает Кох. "Q-дезические траектории теперь существенно отличаются от геодезических, полученных обычным способом без квантовой физики".
Наиболее значительные различия проявляются на очень больших космологических масштабах — порядка 10^21 метров, в то время как для средних масштабов вроде земной орбиты разница практически отсутствует. "Именно на космологических масштабах, где остаются нерешенные загадки общей теории относительности, мы видим четкое различие между траекториями частиц, предсказанными q-дезическим уравнением и классической теорией", — подчеркивает ученый. Это открытие, опубликованное в журнале Physical Review D, может помочь в объяснении таких космических загадок, как аномальные скорости вращения спиральных галактик. Эти аномалии, когда звёзды на окраинах галактик движутся быстрее предсказаний, основанных на видимой массе, не являются прямой проблемой для ОТО, но указывают на недостаток массы, что привело к гипотезе тёмной материи. Новый подход может предложить альтернативный взгляд на эти гравитационные загадки.
Возвращаясь к аналогии со сказкой, физики, возможно, наконец-то нашли измеримую "туфельку", которая поможет отличить правильную теорию квантовой гравитации среди множества конкурирующих вариантов. Следующий важный шаг — определить, какой именно теории эта "туфелька" подходит, что может значительно продвинуть поиски единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия во Вселенной.
Источник: Particles may not follow Einstein’s paths after all