Nauja teorija teigia, kad Einšteino gravitaciją galima sujungti su kvantine mechanika

UCL (Londono universitetinio koledžo) fizikai dviejuose vienu metu paskelbtuose straipsniuose paskelbė radikalią teoriją, kuri nuosekliai suvienija gravitaciją ir kvantinę mechaniką, kartu išsaugodama klasikinę Einšteino erdvėlaikio sampratą.

Šiuolaikinė fizika remiasi dviem ramsčiais: viena vertus, kvantine teorija, kuri valdo mažiausias visatos daleles, kita vertus, Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija, kuri paaiškina gravitaciją per erdvėlaikio išlinkimą. Tačiau šios dvi teorijos prieštarauja viena kitai, ir jau daugiau nei šimtmetį nepavyksta jų suderinti.

Vyravo prielaida, kad Einšteino gravitacijos teorija turi būti modifikuota arba "kvantuota", kad atitiktų kvantinę teoriją. Tokio požiūrio laikosi du pagrindiniai kvantinės gravitacijos teorijos kandidatai - stygų teorija ir kilpinė kvantinė gravitacija.

Tačiau nauja teorija, kurią sukūrė profesorius Džonatanas Oppenheimas (Jonathan Oppenheim, UCL Physics & Astronomy) ir kuri išdėstyta žurnale "Physical Review X" paskelbtame straipsnyje, kvestionuoja šį konsensusą ir laikosi alternatyvaus požiūrio, teigdama, kad erdvėlaikis gali būti klasikinis, t. y. visai nesivadovaujantis kvantine teorija.

Užuot modifikavusi erdvėlaikį, ši teorija, pavadinta "pokvantine klasikinės gravitacijos teorija", modifikuoja kvantinę teoriją ir numato vidinį nuspėjamumo sutrikimą, kurį lemia pats erdvėlaikis. Tai lemia atsitiktinius ir stiprius erdvėlaikio svyravimus, kurie yra didesni, nei numatyta kvantinėje teorijoje, todėl objektų svoris tampa nenuspėjamas, jei jis matuojamas pakankamai tiksliai.

Antrajame straipsnyje, tuo pačiu metu paskelbtame žurnale "Nature Communications", kuriam vadovavo buvę profesoriaus Oppenheimo doktorantai, nagrinėjamos kai kurios šios teorijos pasekmės ir siūlomas eksperimentas jai patikrinti: labai tiksliai išmatuoti masę ir patikrinti, ar jos svoris laikui bėgant svyruoja.

Pavyzdžiui, Tarptautinis svarsčių ir matų biuras Prancūzijoje įprastai sveria 1 kg masę, kuri anksčiau buvo 1 kg etalonas. Jei šios 1 kg masės matavimo svyravimai yra mažesni, nei reikalaujama matematiniam nuoseklumui užtikrinti, teoriją galima atmesti.

Dėl eksperimento rezultatų arba kitų įrodymų, kurie patvirtintų kvantinę ir klasikinę erdvėlaikio prigimtį, profesorius Oppenheimas ir profesorius Karlas Rovelis (Carlo Rovelli) bei daktaras Džefas Peningtonas (Geoff Penington) - atitinkamai pagrindiniai kvantinės kilpinės gravitacijos ir stygų teorijos šalininkai - lažinasi santykiu 5000:1.

Pastaruosius penkerius metus UCL tyrimų grupė tikrino šią teoriją ir tyrinėjo jos pasekmes.

Profesorius Oppenheimas sakė: "Kvantinė teorija ir Einšteino bendroji reliatyvumo teorija matematiškai nesuderinamos tarpusavyje, todėl svarbu suprasti, kaip šis prieštaravimas išsprendžiamas. Ar erdvėlaikis turėtų būti kvantuotas, ar turėtume modifikuoti kvantinę teoriją, o gal tai visai kas kita? Dabar, kai turime nuoseklią fundamentaliąją teoriją, kurioje erdvėlaikis nėra kvantuojamas, tai jau galima tik spėlioti."

Bendraautorius Zachas Welleris-Daviesas (Zach Weller-Davies), kuris, būdamas UCL doktorantūros studentas, padėjo parengti eksperimentinį pasiūlymą ir labai prisidėjo prie pačios teorijos kūrimo, sakė: "Šis atradimas meta iššūkį mūsų supratimui apie fundamentalią gravitacijos prigimtį, tačiau taip pat suteikia galimybių ištirti galimą kvantinę jos prigimtį.

"Parodėme, kad jei erdvėlaikis neturi kvantinės prigimties, tuomet turi egzistuoti atsitiktiniai erdvėlaikio kreivumo svyravimai, turintys tam tikrą požymį, kurį galima patikrinti eksperimentiškai.

"Tiek kvantinės, tiek klasikinės gravitacijos atveju erdvėlaikis turi patirti stiprius ir atsitiktinius svyravimus aplink mus, tačiau tokio masto, kurio dar negalėjome aptikti. Tačiau jei erdvėlaikis yra klasikinis, svyravimai turi būti didesni nei tam tikro mastelio, o šį mastelį galima nustatyti atlikus kitą eksperimentą, kurio metu tikrinsime, kiek laiko galime laikyti sunkų atomą superpozicijoje, kai jis yra dviejose skirtingose vietose."

Bendraautoriai Dr. Carlo Sparaciari ( ir Dr. Barbara Šoda, kurių analitiniai ir skaitiniai skaičiavimai padėjo vadovauti projektui, išreiškė viltį, kad šie eksperimentai gali padėti nustatyti, ar kvantinės gravitacijos teorijos siekis yra teisingas.

Dr. B. Šoda (anksčiau dirbusi UCL fizikos ir astronomijos institute, dabar Perimetro teorinės fizikos institute, Kanadoje) sakė: "Kadangi gravitacija pasireiškia per erdvės ir laiko išlinkimą, galime galvoti apie klausimą, ar laiko tėkmės greitis turi kvantinę, ar klasikinę prigimtį.

"Ir tai patikrinti beveik taip pat paprasta, kaip patikrinti, ar masės svoris yra pastovus, ar atrodo, kad jis svyruoja tam tikru būdu."

Dr. Sparaciari (UCL Physics & Astronomy) sakė: "Nors eksperimento koncepcija yra paprasta, objekto svėrimas turi būti atliekamas itin tiksliai.

"Tačiau man įdomu tai, kad, remdamiesi labai bendromis prielaidomis, galime įrodyti aiškų ryšį tarp dviejų išmatuojamų dydžių - erdvėlaikio svyravimų masto ir to, kiek laiko tokie objektai kaip atomai ar obuoliai gali būti dviejų skirtingų vietų kvantinėje superpozicijoje. Tuomet šiuos du dydžius galime nustatyti eksperimentiškai."

Velleris-Deivisas (Weller-Davies) pridūrė: "Jei kvantinės dalelės, tokios kaip atomai, gali išlinkti klasikinį erdvėlaikį, turi egzistuoti subtili sąveika. Turi būti esminis kompromisas tarp atomų banginės prigimties ir to, kokio dydžio turi būti atsitiktiniai erdvėlaikio svyravimai."

Pasiūlymas patikrinti, ar erdvėlaikis yra klasikinis, ieškant atsitiktinių masės svyravimų, papildo kitą eksperimentinį pasiūlymą, kuriuo siekiama patikrinti kvantinę erdvėlaikio prigimtį ieškant vadinamojo "gravitacijos tarpininkaujamo susietumo".

Profesorius Sougato Bose (UCL Physics & Astronomy), kuris nedalyvavo šiandien paskelbtame pranešime, bet buvo vienas iš tų, kurie pirmieji pasiūlė entanglemento eksperimentą, sakė: "Eksperimentai, skirti erdvėlaikio prigimčiai patikrinti, pareikalaus didelio masto pastangų, tačiau jie yra labai svarbūs siekiant suprasti pagrindinius gamtos dėsnius. Manau, kad šie eksperimentai yra ranka pasiekiami - šiuos dalykus sunku prognozuoti, bet galbūt atsakymą sužinosime per artimiausius 20 metų."

Pokvantinė teorija turi reikšmės ne tik gravitacijai. Nebereikia liūdnai pagarsėjusio ir problemiško kvantinės teorijos "matavimo postulato", nes kvantinės superpozicijos būtinai lokalizuojasi dėl sąveikos su klasikiniu erdvėlaikiu.

Šią teoriją paskatino profesoriaus Oppenheimo bandymas išspręsti juodosios skylės informacijos problemą. Pagal standartinę kvantinę teoriją objektas, patekęs į juodąją skylę, turėtų būti kokiu nors būdu išspinduliuotas atgal, nes informacija negali būti sunaikinta, tačiau tai pažeidžia bendrąjį reliatyvumą, kuris teigia, kad niekada negalima sužinoti apie objektus, kertančius juodosios skylės įvykių horizontą. Pagal naująją teoriją informacija gali būti sunaikinta dėl esminio nuspėjamumo pažeidimo.

Šaltinis