Еще со школьной скамьи мы знаем, что наш физический мир управляется четырьмя фундаментальными силами: электромагнетизмом, слабыми и сильными ядерными взаимодействиями и гравитацией. Чаще всего на Земле мы сталкиваемся с гравитацией, которую можем смело благодарить за сам факт нашего существования. Тем не менее, на самом деле это наименее понятая сила из всех.
Наше понимание гравитации претерпело ряд изменений за последние несколько сотен лет — от ньютоновского взгляда на движение планет и яблок до общей теории относительности и пространства-времени Эйнштейна. Однако для современных физиков, чья работа сосредоточена на темной материи, а также на наблюдаемых сигналах квантовой гравитации, этого все еще недостаточно.
Теоретики и экспериментаторы по всему миру десятилетиями трудились над созданием так называемой "теории всего", которая объединила бы квантовые объяснения очень малого с классической физикой очень большого (таких как люди и планеты). Поддающаяся проверке теория квантовой гравитации находится в центре этого поиска, чтобы предложить единую теорию, которая объясняет все в нашей Вселенной.
По многим причинам ученые считают, что фундаментальное понимание гравитации должно быть квантово-механическим по своей природе. Поэтому нам нужно выяснить, как заставить эти основополагающие принципы квантовой механики работать на гравитацию. Это квантовая гравитация — классическая гравитация, доказанная квантово-механически.
Что такое квантовая гравитация?
Ученые вполне уверены в том, что должно существовать квантовое объяснение гравитации, но найти теорию, подтверждающую это убеждение, не говоря уже о доказательстве ее правильности, оказалось довольно сложно.
В стандартной модели физики элементарных частиц, модели, которая объясняет все фундаментальные силы, кроме гравитации, силы переносятся специализированными частицами. Например, электромагнитная сила переносится фотонами, которые можно воспринимать как свет. Следуя этой логике, физики предположили, что у гравитации тоже должна быть своя частица, которую физики назвали "гравитоном". Однако попытка включить гравитон в существующую математику привела ученых к путанице невозможной математики, такой как уравнения, оканчивающиеся на бесконечность.
Физики обдумывают ряд теорий для решения этой проблемы, но сейчас теория струн остается лучшим описанием на сегодняшний день.
Физики первоначально предложили теорию струн в конце 1960-х годов, и она может иметь множество различных разновидностей. Общая идея состоит в том, что Вселенная состоит из десяти (а иногда и более) измерений, из которых только четыре составляют пространство и время, какими мы их знаем. Остальные измерения представляют собой невидимые строительные леса. В этой многомерной модели очень маленькие объекты, называемые "струнами", заменяют частицы. Эти струны резонируют, как щипковые гитарные струны, на разных частотах, в соответствии с разными фундаментальными частицами. Ученые предполагают, что одна такая частота должна соответствовать теоретическому гравитону.
Один из наиболее ошеломляющих выводов, которые мы можем сделать из теории струн, заключается в том, что гравитация может быть даже не совсем реальной. То есть гравитация — и даже пространство-время — могут быть просто эмерджентными свойствами, созданными квантовой запутанностью частиц. Что-то похожее на ощущение тепла, которое на самом деле является просто ощущением нашим телом скорости молекул воздуха вокруг нас.
Пока это все только теории. Несмотря на то, что теория струн зарекомендовала себя во многих отношениях, включая встроенное и элегантное описание гравитации, остается много вопросов, на которые она не дает ответов. Например, теория струн пока не может включать существующее понимание стандартной модели.
Так как проходят поиски квантовой гравитации в физическом мире? Базовая конструкция GQuEST представляет собой настольную версию детектора гравитационных волн Лазерного интерферометра Гравитационно-волновой обсерватории (LIGO).
Используя невероятно точные измерения, исследователи будут искать небольшие колебания на пути фотонов, когда они проходят между зеркалами. Эти возмущения могут быть следствием действия гравитонов. Исследователи надеются наблюдать подобные эффекты в течение следующих пяти-десяти лет.
Они считают, что смогут таким образом впервые увидеть квантовую природу гравитации в экспериментах такого типа с таким типом измерений. С этой точки зрения это будет большой шаг вперед в нашем понимании того, как объединяются квантовая механика и гравитация.
