Гравитацию могут создавать странные вспышки в квантовом мире

Как примирить два столпа современной физики: квантовую теорию и гравитацию? Один или оба должны уступить и сдаться. Новый подход говорит, что гравитация может вытекать из случайных флуктуаций на квантовом уровне, что делает квантовую механику фундаментальнее из этих двух теорий. Два наших основных объяснения реальности утверждают, что квантовая теория управляет взаимодействиями наименьших частиц материи. Общая теория относительности же касается гравитации и крупнейших структур во Вселенной. С тех пор, как Эйнштейн создал свою знаменитую теорию, физики пытались преодолеть разрыв между ними, но безуспешно.

Частью проблемы является знание того, какие нити каждой теории имеют фундаментальное значение для нашего понимания реальности.

Один из подходов к согласованию гравитации с квантовой механикой заключался в том, чтобы показать, что гравитация на самом фундаментальном уровне уходит в неделимые кусочки – кванты, подобно тому как электромагнитные силы вытекают из квантов под названием фотоны. Но этот путь к теории квантовой гравитации оказался непроходимым.

И вот Антуан Тиллой из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия, попытался добраться до гравитации, изменяя стандартную квантовую механику.

В квантовой теории состояние частицы описывается ее волновой функцией. Волновая функция позволяет рассчитать, например, вероятность нахождения частицы в том или ином месте при измерении. До измерения неизвестно, существует ли частица, и если да, то где. Реальность, судя по всему, создается актом наблюдения, который «разрушает» волновую функцию.

Но квантовая механика не определяет, что такое это измерение или наблюдение. Например, нужен ли в таком случае сознательный агент – человек? Проблема измерения приводит к парадоксам вроде кота Шредингера, в котором кот может быть одновременно и жив, и мертв в коробке, пока кто-нибудь не откроет коробку и не заглянет в нее.

Одним из решений таких парадоксов является так называемая модель GRW, которая была разработана в конце 1980-х годов. Она включает «вспышки», которые являются случайными спонтанными коллапсами волновой функции квантовых систем. Результат точно такой же, как если бы проводились измерения, но без очевидного наблюдателя.

Тиллой модифицировали эту модель, чтобы показать, как она может привести к теории гравитации. В этой модели, когда вспышка разрушает волновую функцию и заставляет частицу оказываться в одном месте, она создает гравитационное поле в этот момент в пространстве-времени. Массивная квантовая система с большим числом частиц демонстрирует множество вспышек, а вместе с тем и флуктуации гравитационного поля.

Оказывается, что в среднем от этих флуктуаций можно было бы ожидать гравитационного поля, вытекающего из теории гравитации Ньютона (подробнее о работе – arxiv.org/abs/1709.03809). Этот подход к объединению гравитации с квантовой механикой называется полуклассическим: гравитация вытекает из квантовых процессов, но остается классической силой. «Нет никаких причин игнорировать этот полуклассический подход, в котором гравитация остается классической на фундаментальном уровне», говорит Тиллой.

«В принципе, мне нравится эта идея», говорит Клаус Хорнбергер из Университета Дуйсбург-Эссен в Германии. Но он отмечает также, что нужно решить другие проблемы до того, как этот подход станет серьезным претендентом на объединение всех фундаментальных сил, лежащих в основе законов физики, в больших и малых масштабах. Например, модель Тиллоя может быть использована для получения гравитации, описываемой теорией Ньютона, но математикам еще предстоит определить, будет ли она эффективно описывать гравитацию в рамках общей теории относительности Эйнштейна.

Тем не менее его модель делает прогнозы, которые можно проверить. Например, она прогнозирует, что гравитация будет вести себя по-разному в масштабах атома и на крупных масштабах. Если испытания покажут, что модель Тиллоя соответствует реальности, а гравитация действительно вытекает из коллапсирующих квантовых флуктуаций, это станет важным указанием на то, что теория всего будет включать полуклассическую гравитацию.