Современная физика стоит на двух столпах: квантовой теории, описывающей мир микрочастиц, и общей теории относительности Эйнштейна, управляющей гравитацией и движением планет и галактик. Несмотря на невероятный успех обеих, они до сих пор не могут быть объединены в единую стройную картину мира. Ученые десятилетиями ищут способ примирить эти два фундаментальных описания реальности.
Физики предложили множество кандидатов на роль «теории всего» – от теории струн до петлевой квантовой гравитации. Однако до сих пор не хватало главного – наблюдаемого эффекта, который можно было бы измерить в эксперименте и который указал бы на верную теорию. «Это похоже на сказку о Золушке, – говорит Бенджамин Кох из Венского технического университета. – Есть несколько кандидатов, но только один может быть настоящей принцессой. В квантовой гравитации мы до сих пор не нашли ту самую «туфельку» – наблюдаемую величину, которая бы однозначно указала нам на правильную теорию».
В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review D, Кох и его команда сосредоточились на центральном понятии теории относительности – геодезических линиях. Геодезическая – это кратчайший путь между двумя точками. На плоскости это прямая, а на искривленной поверхности, такой как Земля, – дуга большого круга. Согласно Эйнштейну, массивные объекты вроде Солнца искривляют четырехмерное пространство-время, и планеты движутся по геодезическим линиям в этом искривленном пространстве, что мы и воспринимаем как орбиты.
Исследователи задались вопросом: что произойдет, если применить правила квантовой физики к самому пространству-времени? В квантовом мире у частиц нет точно определенных положения и импульса, их свойства описываются вероятностями. Ученые предположили, что и кривизна пространства-времени может быть не абсолютно точной, а подчиняться квантовой неопределенности. Эта идея привела к чрезвычайно сложным математическим расчетам.
Команде удалось математически описать движение небольшого объекта в гравитационном поле, где сама метрика пространства-времени является квантовой величиной. Результатом стало новое уравнение, которое они назвали «q-дезическим» по аналогии с классическими геодезическими. Это уравнение показывает, что в квантовом пространстве-времени частицы не всегда движутся по кратчайшему пути. Вместо этого их траектории могут слегка отклоняться от предсказаний классической теории относительности.
На первый взгляд, эти отклонения оказались ничтожно малыми – порядка 10⁻³⁵ метра, что делает их абсолютно ненаблюдаемыми. Однако все изменилось, когда ученые включили в свои расчеты космологическую постоянную, связанную с «темной энергией» и ускоренным расширением Вселенной. «Когда мы это сделали, нас ждал сюрприз», – сообщает Кох. Квантовые поправки стали значительными.
Выяснилось, что предсказанные отклонения проявляются не только на микроуровне, но и на гигантских космологических масштабах, сравнимых с размерами скоплений галактик. На промежуточных дистанциях, например, в масштабах Солнечной системы, разница практически отсутствует. Но именно на самых больших расстояниях, где у общей теории относительности остаются нерешенные загадки, например, аномальная скорость вращения галактик, новое уравнение предсказывает заметные отличия от классической картины.
Таким образом, исследователи не только предложили новый математический аппарат для объединения гравитации и квантовой механики, но и, возможно, нашли ту самую «хрустальную туфельку» – наблюдаемый эффект на космических масштабах. Дальнейший анализ этих предсказаний и их сравнение с астрономическими данными может помочь физикам наконец определить, какая из теорий квантовой гравитации наилучшим образом описывает нашу Вселенную.
