Гравитация создает реальность? Неожиданный поворот на пути к теории всего

Современная фундаментальная физика разделена на две части, которые не согласуются друг с другом. Первая часть — это общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Она описывает макромир: планеты, звезды, галактики и гравитацию. В этой теории пространство и время непрерывны, а положение и скорость любого объекта всегда можно определить точно. Вторая часть — квантовая механика. Она описывает микромир: молекулы, атомы и элементарные частицы. В квантовом мире точных значений не существует, а все процессы подчиняются законам вероятности.

Почти сто лет физики пытались решить это противоречие одним способом: подчинить гравитацию квантовым законам. Ученые исходили из предположения, что квантовая механика универсальна, а значит, гравитационное поле тоже должно состоять из неделимых порций — квантов, или гравитонов. Однако все попытки создать непротиворечивую квантовую теорию гравитации зашли в тупик. Сложные математические концепции вроде теории струн или петлевой квантовой гравитации до сих пор не получили экспериментального подтверждения. Для их прямой проверки требуются энергии, которые невозможно получить на современных ускорителях частиц.

Из-за этого тупика ряд физиков-теоретиков предложил изменить направление поиска. Вместо того чтобы квантовать гравитацию, они предлагают скорректировать саму квантовую механику, введя в ее уравнения классические гравитационные эффекты. Такой подход не только позволяет объединить две теории, но и решает главную логическую проблему микромира: объясняет, как из неопределенных квантовых состояний возникает стабильная физическая реальность.

Проблема квантового измерения

Чтобы понять суть нового подхода, необходимо рассмотреть главное противоречие квантовой теории — принцип суперпозиции.

В классической физике предмет всегда занимает определенное место в пространстве. В квантовой механике изолированная частица может одновременно находиться в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства. Такое состояние физики называют волновой функцией. Волновая функция — это математическое уравнение, которое описывает распределение вероятностей: с какой вероятностью частица окажется в точке А, в точке Б или в точке В.

Пока за частицей не наблюдают, она не выбирает конкретного положения. Однако в момент измерения волновая функция резко меняется: множество вероятностей исчезает, и частица оказывается зафиксирована строго в одном месте. Этот скачок называют коллапсом волновой функции или редукцией состояния.

Квантовая механика успешно предсказывает вероятность того или иного исхода эксперимента, но в ее базовых формулах нет физического описания самого момента измерения. До сих пор среди ученых нет согласия в том, что именно вызывает коллапс волновой функции:

1. Копенгагенская интерпретация постулирует, что коллапс происходит в момент контакта квантовой системы с макроскопическим измерительным прибором. Почему и как это происходит физически, теория не объясняет, считая это базовым правилом математического аппарата.
2. Многомировая интерпретация предполагает, что никакого коллапса не существует. Вместо этого в момент каждого взаимодействия Вселенная расщепляется на множество параллельных ветвей, и реализуются абсолютно все возможные вероятности, но в изолированных друг от друга мирах.
3. Модели объективного коллапса утверждают, что редукция состояния — это реальный физический процесс, который происходит в пространстве и времени без участия человека или измерительного прибора.

Именно модели объективного коллапса легли в основу идеи о том, что гравитация управляет квантовыми процессами.

Модель Диоши — Пенроуза: гравитационный предел суперпозиции

В конце 1980-х годов венгерский физик Лайош Диоши и британский математик Роджер Пенроуз независимо друг от друга выдвинули гипотезу: фактором, разрушающим квантовую неопределенность, выступает собственное гравитационное поле объекта.

Основа общей теории относительности заключается в том, что любая масса искривляет окружающее пространство и меняет ход времени. Если в состояние суперпозиции помещается объект определенной массы — то есть находится одновременно в пространственном положении А и положении Б, — он требует от пространства-времени двух разных искривлений одновременно.

По мнению Пенроуза, структура пространства-времени не способна удерживать такое раздвоение. Возникает энергетический конфликт между двумя гравитационными конфигурациями. Разница энергий между этими состояниями создает нестабильность. Чем тяжелее объект, тем сильнее искривления и тем быстрее система стремится избавиться от возникшего противоречия.

В результате пространство-время принудительно заставляет волновую функцию схлопнуться в одно из двух состояний. Объект оказывается либо в точке А, либо в точке Б случайным образом, но под строгим давлением законов тяготения.

Математический расчет модели Диоши — Пенроуза показывает, что время жизни квантовой суперпозиции обратно пропорционально массе объекта, а точнее — разнице в гравитационной энергии между состояниями:

• Для элементарных частиц (электронов или протонов) масса ничтожна. Гравитационное искривление, создаваемое ими, настолько мало, что энергетический конфликт почти равен нулю. Поэтому электрон может находиться в состоянии суперпозиции миллиарды лет, подчиняясь стандартным законам квантовой механики.
• Для промежуточных объектов (крупных молекул, содержащих тысячи атомов) время распада квантового состояния сокращается до секунд или долей секунды.
• Для макроскопических тел (пылинок, камней, любых окружающих нас предметов) масса велика настолько, что нестабильность нарастает мгновенно. Время жизни суперпозиции для них составляет ничтожно малые доли секунды (10−2010−20 секунды и меньше).

Эта зависимость объясняет, почему люди никогда не видят макроскопические предметы в двух местах одновременно. Гравитация мгновенно уничтожает суперпозицию любых тяжелых объектов. Она же устраняет парадокс наблюдателя: любой измерительный прибор состоит из огромного числа атомов, обладает ощутимой массой и моментально разрушает квантовую неопределенность за счет собственного гравитационного взаимодействия с частицей.

Эксперименты с крупными квантовыми системами

Гипотеза Пенроуза долгое время оставалась чисто теоретической, поскольку ученые не умели переводить в состояние суперпозиции массивные объекты. Однако в последние годы физики научились создавать квантовые состояния для систем, состоящих из тысяч атомов.

В недавних экспериментах исследователи использовали наночастицы натрия, содержащие более 7000 атомов. Такие частицы по размерам сопоставимы с отдельными биологическими вирусами. Они успешно проявляют волновые свойства и демонстрируют явление квантовой интерференции при прохождении через барьеры. Это подтверждает, что при данных массах квантовая механика все еще работает по стандартным правилам.

В конце 2025 года группа физиков под руководством Рона Фольмана из Университета Бен-Гуриона в Негеве при участии Роджера Пенроуза опубликовала результаты эксперимента с атомами рубидия. Ученые перевели одиночный атом в суперпозицию двух состояний: в одном состоянии он оставался зафиксирован в магнитной ловушке, а во втором — находился в свободном гравитационном падении. Измеряя интерференционную картину, физики проверяли, как гравитационное поле Земли воздействует на квантовую фазу частицы. На уровне одиночного атома расхождений со стандартной теорией зафиксировано не было.

Однако критический тест теории заключается в другом: исследователи должны проверить не воздействие внешнего поля Земли, а гравитационное самодействие объекта. Для этого необходимо взять тело достаточной массы, перевести его в состояние пространственной суперпозиции и проследить, разрушится ли квантовое состояние само по себе без внешних помех.

Группа Фольмана готовит следующий этап эксперимента. Вместо отдельных атомов исследователи планируют использовать микроскопические кристаллы алмаза, масса которых в миллиард раз превышает массу атома рубидия.

План эксперимента выглядит следующим образом:

1. Алмаз диаметром в десятки нанометров помещают в вакуумную камеру и охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы исключить тепловое движение атомов.
2. С помощью лазерного излучения кристалл переводят в суперпозицию двух положений с расстоянием между ними около двух микрометров.
3. Система отслеживается высокочувствительными датчиками.

Если расчеты сторонников гравитационного коллапса верны, квантовая интерференция такого алмаза исчезнет быстрее, чем за одну секунду. Причиной распада станет исключительно масса самого кристалла. Реализация этого эксперимента ожидается в течение ближайших пяти лет.

Случайная гравитация: постквантовая теория Оппенгейма

Параллельно развивается другая ветвь этой идеи. В 2023 году физик Джонатан Оппенгейм из Университетского колледжа Лондона предложил так называемую «постквантовую теорию классической гравитации».

Оппенгейм отказался от гипотезы квантования пространства-времени. Он постулировал, что гравитационное поле фундаментально классическое, непрерывное, но при этом обладает внутренним свойством случайности (стохастичности).

В теории относительности Эйнштейна масса определяет кривизну пространства абсолютно однозначно. В теории Оппенгейма в уравнения гравитации добавляется случайный шум. Пространство-время непрерывно флуктуирует — дрожит на фундаментальном уровне без каких-либо внешних причин.

Когда квантовая частица движется в таком пространстве, эти гравитационные флуктуации постоянно передают ей случайные импульсы. Такое непрерывное случайное воздействие разрушает когерентность (согласованность) волновой функции. В результате суперпозиция неизбежно разрушается сама по себе.

Подход Оппенгейма решает сложную математическую проблему объединения квантовых систем с неквантовыми. Долгие годы считалось, что если связать квантовую переменную с классической, нарушится фундаментальный физический закон — принцип неопределенности Гейзенберга, либо появится возможность передавать информацию быстрее скорости света. Оппенгейм доказал: если классическое поле флуктуирует случайным образом, эти законы не нарушаются, а математический аппарат остается строгим и самосогласованным.

Часть научного сообщества критикует эту теорию. Физик Иветт Фуэнтес из Саутгемптонского университета указывает, что введение случайности без объяснения ее физического происхождения выглядит искусственным шагом. Тем не менее теория Оппенгейма обладает важным преимуществом: она дает конкретные физические предсказания, которые можно проверить на существующих или строящихся приборах.

Три направления экспериментальной проверки

Если гравитация действительно классическая, но случайно колеблется или принудительно схлопывает квантовые состояния, это оставляет физические следы. Сегодня ученые ведут поиск этих следов по трем независимым каналам.

1. Поиск спонтанного электромагнитного излучения

Если пространство постоянно флуктуирует и случайным образом воздействует на квантовую материю, это должно приводить к микроскопическому дрожанию всех заряженных частиц — протонов и электронов, из которых состоят атомы.

Согласно фундаментальным законам электродинамики, любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, обязана испускать фотоны (электромагнитное излучение). Следовательно, если гравитационный шум реален, любое вещество должно непрерывно и спонтанно испускать крайне слабое тепловое излучение.

Этот эффект проверяет группа Каталины Курчану из Национального института ядерной физики Италии. Эксперимент проводится в подземной лаборатории Гран-Сассо на глубине 1400 метров под горным массивом. Толща горных пород служит естественным экраном, поглощающим космические лучи.

Внутри лаборатории ученые разместили блок из сверхчистого германия, заключенный в многослойную свинцовую защиту. В кристалле нет радиоактивных примесей, а внешние помехи сведены к предельному минимуму. Чувствительные датчики следят за появлением неожиданных вспышек рентгеновского или гамма-излучения, которые могли бы возникнуть из-за гравитационного шума. Пока детектор фиксирует фоновые значения, что уже позволило исключить простейшие варианты математических моделей коллапса и сузить параметры для теоретиков.

2. Регистрация механического дрожания объектов

Второй способ проверки — измерение механических флуктуаций твердых тел. Если гравитационное поле нестабильно, макроскопические тела должны испытывать микроскопические случайные отклонения от своей траектории движения.

Физики создают ультрачувствительные механические осцилляторы — крошечные кремниевые балки (кантилеверы), охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю. Чем ниже температура, тем слабее обычные тепловые колебания атомов. В таких условиях исследователи пытаются зафиксировать остаточный механический шум, вызванный гравитацией.

Аналогичные данные ученые получают из космоса. В рамках миссии Европейского космического агентства LISA Pathfinder внутри космического аппарата в состоянии идеального свободного падения находились два куба из сплава золота и платины. Высокоточные лазерные интерферометры измеряли расстояние между ними с точностью до пикометров (триллионных долей метра). Данные LISA Pathfinder пока не выявили аномального механического смещения кубов, что наложило жесткие ограничения на амплитуду гипотетического гравитационного шума.

3. Фундаментальный предел измерения времени

Наиболее неожиданное следствие гравитационного коллапса обнаружила группа физиков под руководством Николы Бортолотти из Римского университета Сапиенца. Ученые рассчитали, как фундаментальный шум гравитационного поля должен влиять на работу квантовых часов.

Атомные часы измеряют время, отслеживая частоту электромагнитных переходов электронов между энергетическими уровнями внутри атомов. Если гравитационное поле вокруг атома случайно меняется, эти энергетические уровни будут испытывать непрерывные микроскопические сдвиги. В результате частота переходов потеряет стабильность.

Расчеты группы Бортолотти показали, что модели гравитационного коллапса устанавливают фундаментальный предел точности измерения времени.

Долгое время считалось, что минимальный физически возможный интервал времени — это планковское время, составляющее примерно10^−43 секунды. Измерить такой интервал экспериментально невозможно. Однако предел точности, возникающий из-за гравитационного коллапса, оказался на много порядков больше планковского времени. Он лежит в диапазоне точности, к которому уже приближаются современные метрологические лаборатории.

Лучшие существующие оптические атомные часы дают погрешность всего в одну секунду за десятки миллиардов лет. Если физики продолжат улучшать точность этих приборов, они неизбежно столкнутся с эффектом случайного дрожания частоты. Это будет означать, что время на малых масштабах теряет непрерывность и становится размытым из-за гравитационных флуктуаций.

Поскольку разные модели коллапса предсказывают разную величину этого временного предела, повышение точности атомных часов станет прямым инструментом отбора рабочей физической теории.

Значение для картины мира

Попытка переписать квантовую механику с учетом гравитации меняет базовый философский принцип естествознания — редукционизм. Долгое время физика исходила из предпосылки, что свойства целого всегда выводятся из свойств его мельчайших частей. Ученые полагали: раз атомы и частицы подчиняются вероятностным квантовым законам, то классический мир крупных тел — это лишь иллюзия, усредненный результат квантовых процессов.

Модели Диоши, Пенроуза и Оппенгейма предлагают противоположный взгляд. Они демонстрируют, что макромир через гравитационное поле активно управляет микромиром. Масса крупных тел навязывает квантовым системам правила однозначности, заставляя вероятности превращаться в свершившиеся факты.

Гравитация в этой концепции перестает быть просто слабой силой, притягивающей массы друг к другу на больших дистанциях. Она становится механизмом, который формирует объективную реальность, ликвидирует неопределенность и определяет, как течет время.

В ближайшие годы физикам предстоит получить однозначный ответ. Проводящиеся эксперименты с левитирующими кристаллами алмазов, подземными германиевыми датчиками и атомными часами постепенно сужают допустимый диапазон параметров. Либо эти опыты зафиксируют гравитационный коллапс и положат начало новой физике, либо окончательно закроют гипотезу о связи гравитации с редукцией волновой функции. Но независимо от исхода, наука впервые за столетие проверяет границы применимости квантовой теории с помощью прямых измерений, а не чисто умозрительных формул.