Как теорията за гравитацията на Айнщайн може да се обедини с квантовата механика? Това е предизвикателство, което може да ни даде дълбоки познания за явления като черните дупки и пораждането на Вселената.
Статия в Nature Communications, написана от изследователи от Технологичния университет Чалмърс, Швеция, и Масачузетския технологичен институт, САЩ, представя резултати, които хвърлят нова светлина върху важни предизвикателства в разбирането на квантовата гравитация.
Голямото предизвикателство в съвременната теоретична физика е да се намери единна теория, която да описва всички закони на природата в една рамка – да свързва общата теория на относителността на Айнщайн, която описва Вселената в голям мащаб, и квантовата механика, която описва нашия свят на атомно ниво. Такава теория на „квантовата гравитация“ би включвала както макроскопично, така и микроскопично описание на природата.
„Ние се стремим да разберем законите на природата, а езикът, на който те са написани, е математиката. Когато търсим отговори на въпроси във физиката, често се стига до нови открития и в математиката. Това взаимодействие е особено видимо в търсенето на квантовата гравитация – там, където е изключително трудно да се провеждат експерименти“, обяснява Даниел Персон, професор в катедрата по математически науки в Технологичния университет Чалмърс.
Пример за явление, което изисква такъв тип унифицирано описание, са черните дупки. Черната дупка се образува, когато достатъчно тежка звезда се разширява и рухва под действието на собствената си гравитационна сила, така че цялата ѝ маса се концентрира в изключително малък обем. Квантовомеханичното описание на черните дупки е все още в начален стадий на развитие, но включва впечатляваща напреднала математика.
Опростен модел на квантовата гравитация
„Предизвикателството е да се опише как се поражда гравитацията като „възникващо“ явление. Точно както явленията от ежедневието – както потока на течност възниква от хаотичните движения на отделни капки – ние искаме да опишем как гравитацията възниква от квантовомеханична система на микроскопично ниво“, казва Робърт Берман, професор в катедрата по математически науки в Технологичния университет Чалмърс.
В статия, публикувана неотдавна в Nature Communications, Даниел Персон и Робърт Берман, заедно с Тристан Колинс от Масачузетския технологичен институт в САЩ, показват как гравитацията възниква от специална квантовомеханична система в опростен модел за квантова гравитация, наречен „холографски принцип“.
„Използвайки техники от математиката, които съм изследвал и преди, успяхме да формулираме обяснение за възникването на гравитацията чрез холографския принцип по по-прецизен начин, отколкото е правено досега“, обяснява Робърт Берман.
Вълни от тъмна енергия
Новата статия може да предложи и нов поглед върху мистериозната тъмна енергия. В общата теория на относителността на Айнщайн гравитацията е описана като геометрично явление. Точно както новопоставеното легло се извива под тежестта на човек, така и тежките обекти могат да огънат геометричната форма на Вселената. Но според теорията на Айнщайн дори празното пространство – „състоянието на вакуум“ на Вселената – има богата геометрична структура. Ако можехте да увеличите мащаба и да разгледате този вакуум на микроскопично ниво, щяхте да видите квантовомеханични флуктуации, или вълни, известни като тъмна енергия. Погледнато в по-голяма перспектива, именно тази мистериозна форма на енергия е отговорна за ускореното разширяване на Вселената.
Тази нова работа може да доведе до нови прозрения за това как и защо възникват тези микроскопични квантови механични вълни, както и за връзката между теорията на Айнщайн за гравитацията и квантовата механика – нещо, което от десетилетия убягва на учените.
„Тези резултати откриват възможност за проверка на други аспекти на холографския принцип, като например микроскопичното описание на черните дупки. Също така се надяваме, че в бъдеще ще можем да използваме тези нови връзки, за да открием нови хоризонти в математиката“, казва Даниел Персон.
Превод: Неда Анастасова
