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.

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.