Как разгадать загадку пространства-времени: шесть экспериментов, которые могут дать ответ

Что останется, если вычистить всю Вселенную от материи и энергии? Основная структура космоса называется пространство-время, и его часто сравнивают с тканью. Но «ткань пространства-времени — это термин из научной фантастики», говорит Джонатан Оппенхайм, физик из University College London. Нет единого мнения о том, что он на самом деле означает.

В классической физике, а именно в общей теории относительности Альберта Эйнштейна, ткань пространства-времени не существует сама по себе. Вместо этого пространство-время переплетено с массой и энергией и формируется ими, порождая гравитацию. Самое главное, что уравнения Эйнштейна непрерывны, поэтому в классическом представлении ткань должна быть гладкой.

Но сегодня большинство физиков считают, что пространство-время должно подчиняться законам квантовой механики, которые определяют поведение субатомных частиц и полей. В таком случае оно может быть разбито на отдельные кусочки или квантовано. Это означало бы, что хотя пространство-время кажется гладким фоном, на котором разыгрывается все во Вселенной, если бы вы могли приблизиться достаточно близко, вы бы увидели, что оно на самом деле состоит из чего-то, как и все остальное.

Проблема в том, что у нас по-прежнему нет доказательств того, что пространство-время квантовано. Сложно доказать это однозначно, потому что-то, что вы можете представить себе как «пиксели» пространства-времени — его самые фундаментальные составляющие — были бы настолько крошечными, что непосредственно наблюдать их было бы невозможно. Остаются косвенные наблюдения. Хорошая новость в том, что физики придумали ряд изобретательных экспериментов, которые могли бы наконец решить вопрос о том, из чего состоит пространство-время, (если все-таки состоит) раз и навсегда.

Медленные нейтрино

Когда нейтрино — одни из самых неуловимых элементарных частиц — проходят через пространство-время, они могут менять свой тип или «аромат». Это явление называется осцилляцией нейтрино и объясняется тем, что у каждого аромата есть своя масса. Нейтрино не имеют определенной массы; вместо этого они являются суперпозицией трех состояний массы. Когда нейтрино движутся в пространстве-времени, эти состояния интерферируют друг с другом и заставляют нейтрино менять свой аромат.

Но если пространство-время квантовано, то оно может быть неоднородным на очень малых масштабах, создавая некоторые «горбы» и «ямы» в ткани. Это может влиять на скорость нейтрино, замедляя их или ускоряя в зависимости от того, как они проходят через эти неровности. Это, в свою очередь, может влиять на вероятность осцилляции нейтрино.

Эксперимент IceCube Neutrino Observatory в Антарктиде исследует эту возможность, измеряя осцилляции нейтрино высокой энергии, производимые космическими лучами. Если пространство-время гладкое, то вероятность осцилляции должна быть одинаковой для всех направлений. Но если пространство-время квантовано, то вероятность может меняться в зависимости от того, как нейтрино движутся относительно структуры ткани. Пока что результаты IceCube не показывают никаких отклонений от классического предсказания.

Квантовая пена

Еще одна идея заключается в том, что пространство-время состоит из беспорядочного множества квантовых событий, которые постоянно возникают и исчезают на планковской шкале — около 10^-35 метра. Это бы означало, что пространство-время не является гладким и непрерывным, а напоминает пену или губку. Такое представление называется квантовой пеной.

Как мы можем обнаружить эту пену? Одна из возможностей — это использовать гамма-лучи — самые энергичные виды электромагнитного излучения. Гамма-лучи могут быть созданы взрывами сверхновых или столкновениями черных дыр. Если гамма-лучи проходят через квантовую пену, то они могут взаимодействовать с ее флуктуациями и потерять часть своей энергии. Это означало бы, что гамма-лучи с разной энергией будут прибывать на Землю с разной скоростью.

Это можно проверить с помощью телескопов, таких как Ферми Gamma-ray Space Telescope или Cherenkov Telescope Array. Они могут обнаруживать гамма-лучи от далеких источников и измерять их время прибытия и энергию. Если пространство-время гладкое, то все гамма-лучи должны прибывать одновременно. Но если пространство-время квантовано, то более энергичные гамма-лучи должны прибывать позже, чем менее энергичные. Пока что никаких таких задержек не обнаружено.

Гравитационные волны

Гравитационные волны — это колебания ткани пространства-времени, вызванные ускоренным движением массивных объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды. Они распространяются со скоростью света и несут информацию о своем источнике. Если пространство-время квантовано, то гравитационные волны могут быть подвержены квантовым флуктуациям, которые изменяют их амплитуду и частоту. Это означало бы, что гравитационные волны не будут сохранять свою форму во время распространения.

Это можно проверить с помощью детекторов гравитационных волн, таких как LIGO или VIRGO. Они состоят из двух перпендикулярных лазерных лучей, которые отражаются от зеркал на концах длинных труб. Когда гравитационная волна проходит через детектор, она искажает пространство-время и меняет длину труб. Это приводит к изменению фазы лазерных лучей, которое можно измерить с помощью интерферометра.

Если пространство-время гладкое, то гравитационные волны должны иметь определенную форму и частоту, которые соответствуют модели источника. Но если пространство-время квантовано, то гравитационные волны могут быть зашумлены квантовыми флуктуациями и отклоняться от ожидаемой формы и частоты. Пока что никаких таких отклонений не обнаружено.

Квантовая петля

Еще одна попытка создать теорию квантовой гравитации — это теория петлевой квантовой гравитации (ПКГ). Она основана на идее, что пространство-время может быть представлено как сеть петель или кольцевых линий, которые кодируют информацию о его геометрии. Эти петли не являются материальными объектами, а скорее математическими конструкциями, которые описывают поведение гравитационного поля на квантовом уровне. ПКГ пытается объединить уравнения Эйнштейна с принципами квантовой механики без введения дополнительных измерений или струн.

Но как мы можем проверить эту идею? Одна из возможностей — это использовать черные дыры — объекты с такой сильной гравитацией, что ничто не может из них вырваться. Черные дыры имеют свойство испаряться со временем, излучая частицы и энергию. Это явление называется испарением Хокинга и зависит от того, как черная дыра взаимодействует с квантовыми флуктуациями вакуума. Если пространство-время квантовано, то это может влиять на скорость и спектр испарения черных дыр.

Это можно проверить с помощью детекторов, таких как LISA или LIGO, которые могут обнаруживать гравитационные волны от столкновений черных дыр. Они могут измерять массу и спин черных дыр до и после слияния и сравнивать их с теоретическими предсказаниями. Если пространство-время квантовано, то масса и спин черных дыр могут быть меньше, чем ожидается по классической теории, из-за потери энергии в процессе испарения. Пока что никаких таких потерь не обнаружено.

Квантовая энтропия

Еще одна идея заключается в том, что пространство-время имеет свойство, которое называется квантовой энтропией. Энтропия — это мера беспорядка или неопределенности в системе. Квантовая энтропия — это мера беспорядка или неопределенности в квантовой системе. Если пространство-время квантовано, то оно может быть рассмотрено как квантовая система, которая имеет определенную квантовую энтропию.

Но как мы можем измерить эту энтропию? Одна из возможностей — это использовать горизонт событий — границу черной дыры, за которой ничто не может быть наблюдаемым. Горизонт событий имеет свойство, которое называется энтропией Бекенштейна-Хокинга. Это мера информации, которая содержится в черной дыре и которая равна площади горизонта событий, деленной на четыре планковских константы. Если пространство-время квантовано, то эта энтропия может быть объяснена как квантовая энтропия пространства-времени на горизонте событий.

Это можно проверить с помощью экспериментов по созданию искусственных черных дыр в лаборатории. Это можно сделать с помощью оптических ловушек, которые используют лазерные лучи для удержания и охлаждения атомов до сверхнизких температур. При этом атомы образуют состояние, которое называется бозе-эйнштейновским конденсатом — коллективное квантовое состояние, в котором атомы ведут себя как одна большая волна. Если изменить параметры лазерных лучей, то можно создать условия, при которых часть конденсата станет недоступной для наблюдения — аналог горизонта событий черной дыры. Тогда можно измерить энтропию этой части и сравнить ее с теоретическим предсказанием.

Квантовая информация

Еще одна идея заключается в том, что пространство-время не является физическим объектом, а скорее информационным конструктом. Это означает, что пространство-время может быть описано как набор битов или единиц информации, которые определяют его свойства и структуру. Эта идея называется принципом голографии и была предложена в 1990-х годах Леонардом Сасскиндом и Херардом 'т Хофтом.

Принцип голографии гласит, что все, что происходит внутри некоторой области пространства-времени, может быть закодировано на его границе — двумерной поверхности, которая окружает эту область. Это похоже на то, как трехмерный объект может быть изображен на двумерной фотографии или голограмме. Это означает, что количество информации, которое может содержаться в пространстве-времени, ограничено его площадью, а не объемом. Это также означает, что пространство-время может быть реконструировано из информации на его границе.

Но как мы можем проверить эту идею? Одна из возможностей — это использовать квантовую запутанность — явление, при котором две частицы или системы могут быть связаны так, что измерение одной из них мгновенно определяет состояние другой, даже если они разделены большим расстоянием. Квантовая запутанность может быть рассмотрена как ресурс или мера информации в квантовой системе. Если пространство-время составлено из информации, то оно может быть связано с квантовой запутанностью.

Это можно проверить с помощью экспериментов по созданию и измерению запутанных состояний в лаборатории. Это можно сделать с помощью оптических устройств, которые используют лазерные лучи для создания и манипулирования запутанных фотонов — квантов света. Затем можно измерить степень запутанности между фотонами с помощью детекторов и анализаторов поляризации. Если пространство-время составлено из информации, то степень запутанности должна зависеть от площади поверхности, которая разделяет фотоны, а не от расстояния между ними.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели шесть способов проверить, является ли пространство-время квантовым или нет. Каждый из этих способов основан на разных теоретических предположениях и экспериментальных методах. Ни один из них пока не дал окончательного ответа на этот вопрос. Возможно, что пространство-время не квантовано в том смысле, как мы его понимаем. Возможно, что мы еще не нашли правильный способ описать его квантовую природу. Возможно, что мы нуждаемся в новых экспериментах или теориях, которые могли бы выявить скрытые аспекты пространства-времени. В любом случае, это остается одной из самых захватывающих и сложных загадок современной физики.