Новости из мира высоких технологий

Когда мы сможем проверить квантовую гравитацию?

Квантовая гравитация

У нас есть все причины полагать, что гравитация является по своей сути квантовой теорией. Но как нам доказать это раз и навсегда? Об этом рассказывает доктор Сабина Носсенфельдер, физик-теоретик, специалист по квантовой гравитации и физике высоких энергий. Далее от первого лица.

Если у вас хорошее зрение, мельчайшие объекты, которые вы сможете разглядеть, будут примерно в одну десятую миллиметра: шириной примерно с человеческий волос. Добавьте технологий, и мельчайшая структура, которую мы смогли измерить к нынешнему моменту, была приблизительно 10-19 метра, такова длина волны протонов, сталкивающихся на БАК. Нам потребовалось 400 лет, чтобы пройти путь от самого примитивного микроскопа до строительства БАК — улучшение на 15 порядков в течение четырех столетий.

Квантовые эффекты гравитации, согласно оценкам, становятся актуальными на масштабах расстояний приблизительно в 10-35 метра, известных как длина Планка. Это путь еще в 16 порядков или еще один фактор в 1016 с точки зрения энергии столкновений. Это заставляет задуматься, возможно ли это вообще или все усилия в попытке найти квантовую теорию гравитации навсегда останутся досужими вымыслами.

Я оптимистка. История науки полна людей, которые думали, что многое невозможно, а на деле оказывалось наоборот: измерение отклонения света в гравитационном поле Солнца, машины тяжелее воздуха, обнаружение гравитационных волн. Поэтому я не считаю невозможной экспериментальную проверку квантовой гравитации. Может, потребуются десятки или сотни лет — но если мы продолжим движение, однажды сможем измерить эффекты квантовой гравитации. Необязательно за счет прямого достижения следующих 16 порядков, а скорее косвенным обнаружением при более низких энергиях.

Гравитация

Но из ничего рождается ничего. Если мы не будем думать о том, как могут проявляться эффекты квантовой гравитации и где они могут показаться, мы определенно никогда их не найдем. Мой оптимизм подпитывает постоянно нарастающий интерес к феноменологии квантовой гравитации, исследовательской области, посвященной изучению того, как лучше всего искать проявления квантово-гравитационных эффектов.

Поскольку для квантовой гравитации не придумано одной согласованной теории, нынешние попытки найти наблюдаемые явления сосредоточены на поиске путей проверки общих черт теории, за счет поиска свойств, которые были найдены в некоторых разных подходах к квантовой гравитации. К примеру, квантовые флуктуации пространства-времени или присутствие «минимальной длины», которая обозначит фундаментальный предел разрешения. Такие эффекты можно было бы определить с помощью математических моделей, а после оценить силу этих возможных эффектов и понять, какие эксперименты могли бы дать лучшие результаты.

Проверка квантовой гравитации долгое время считается вне зоны досягаемости экспериментов, если судить по оценкам, нам нужен коллайдер размером с Млечный Путь, чтобы разогнать протоны достаточно, чтобы произвести измеримое количество гравитонов (квантов гравитационного поля), либо понадобится детектор размером с Юпитер, чтобы измерить гравитоны, которые рождаются повсюду. Не невозможно, но уж явно не то, чего стоит ждать в ближайшее время.

Такие аргументы, впрочем, касаются лишь прямого обнаружения гравитонов, а это не единственное проявления эффектов квантовой гравитации. Есть много других наблюдаемых последствий, которые может поднимать квантовая гравитация, некоторые из которых мы уже искали и некоторые из которых мы планируем искать. Пока наши результаты сугубо отрицательные. Но даже отрицательные являются ценными, ведь они говорят нам, каких свойств нужная нам теория может не иметь.

Одним из проверяемых следствий квантовой гравитации, к примеру, может быть нарушение симметрии, фундаментальной для специальной и общей теории относительности, известной как Лоренц-инвариантность. Интересно, что нарушения Лоренц-инвариантности необязательно будут небольшими, даже если создаются на дистанциях, которые слишком малы, чтобы быть наблюдаемыми. Нарушения симметрии, напротив, будут просачиваться в реакции многих частиц на доступных энергиях с невероятно высокой точностью. Никаких доказательств нарушений Лоренц-инвариантности пока не было обнаружено. Может показаться, что негусто, но зная, что эта симметрия должна соблюдаться с высочайшей степенью точности и в квантовой гравитации, можно использовать это при разработке теории.

Черные дыры

Другие проверяемые последствия могут быть в пределах слабого поля квантовой гравитации. В ранней Вселенной квантовые флуктуации пространства-времени должны были привести к температурным флуктуациям, возникающим в веществе. Эти температурные флуктуации наблюдаются и сегодня, будучи отпечатанными в реликтовом излучении (CMB). Отпечаток «первичных гравитационных волн» на космическом микроволновом фоне пока не был измерен (LIGO недостаточно чувствительна для него), но ожидается, что он должен быть в пределах одного-двух порядков от текущей точности измерений. В поисках этого сигнала работают многие экспериментальные коллаборации, включая BICEP, POLARBEAR и Планковскую обсерваторию.

Другой способ проверить предел слабого поля квантовой гравитации — это попытки ввести крупные объекты в квантовую суперпозицию: объекты, которые намного тяжелее элементарных частиц. Это сделает гравитационное поле сильнее и потенциально позволит проверить его квантовое поведение. Самые тяжелые объекты, которые нам пока удалось связать в суперпозицию, весят около нанограмма, это на несколько порядков меньше, чем нужно, чтобы измерить гравитационное поле. Но недавно группа ученых в Вене предложила экспериментальную схему, которая позволила бы нам измерить гравитационное поле куда точнее, чем прежде. Мы медленно приближаемся к квантово-гравитационному диапазону.

(Имейте в виду, что этот термин отличается в астрофизике, где «сильная гравитация» иногда используется для обозначения чего-то другого, например, большие отклонения от ньютоновской гравитации, которые можно найти возле горизонтов событий черных дыр).

Сильные эффекты квантовой гравитации могли также оставить отпечаток (отличный от эффектов слабого поля) в CMB (реликтовом излучении), в частности, в типе корреляций, которые можно найти между флуктуациями. Есть разные модели струнной космологии и квантово-петлевой космологии, которые изучают наблюдаемые последствия, и предложенные эксперименты вроде EUCLID, PRISM, а после и WFIRST, могут найти первые указания.

Есть еще одна интересная идея, основанная на недавней теоретической находке, согласно которой гравитационный коллапс материи может не всегда образовывать черную дыру — вся система избежит формирования горизонта. Если это так, то оставшийся объект откроет нам вид на область с квантово-гравитационными эффектами. Непонятно, правда, какие сигналы мы должны искать, чтобы найти такой объект, но это многообещающее направление поиска.

Идей правда много. Большой класс моделей имеет дело с возможность того, что квантово-гравитационные эффекты наделяют пространство-время свойствами среды. Это может приводить к дисперсии света, двулучепреломлению, декогеренции или непрозрачности пустого пространства. Обо всем сразу не скажешь. Но, без сомнения, проделать предстоит еще очень много. Поиск доказательства того, что гравитация действительно является квантовой силой, уже начался.


Источник: Когда мы сможем проверить квантовую гравитацию?
Автор:
Теги: эксперименты Наука физика Время Астрофизика Вселенная Гравитация Воздух Квантовая физика

Комментарии (0)

Сортировка: Рейтинг | Дата
Пока комментариев к статье нет, но вы можете стать первым.
Написать комментарий:
Напишите ответ :
Вещи, которые стоит делать, когда вы возвращаетесь домой каждый день
Вещи, которые стоит делать, когда вы возвращаетесь домой каждый день
7
Страничка добра и сплошного жизненного позитива! 07:51 16 мар 2024
Как проверить сыр на натуральность при помощи йода, УФ-лампы и микроволновки
Как проверить сыр на натуральность при помощи йода, УФ-лампы и микроволновки
2
Человек познаёт мир 13:30 18 май 2023
Как быстро проверить качество стирального порошка
Как быстро проверить качество стирального порошка
0
Интересный мир 08:20 08 янв 2017
Когда умирает брак
Когда умирает брак
72
Женский развлекательный и поучительный сайт. 11:44 10 мар 2020
Ситуации, когда нужно промолчать
Ситуации, когда нужно промолчать
7
Страничка добра и сплошного жизненного позитива! 00:14 30 авг 2023
Хороший пример тревоги, когда заранее носишь тяготы и страхи будущего, которое еще не наступило
Хороший пример тревоги, когда заранее носишь тяготы и страхи будущего, которое еще не наступило
1
Страничка добра и сплошного жизненного позитива! 21:19 22 мар 2024
Решила проверить телефон мужа... я в шоке!
Решила проверить телефон мужа... я в шоке!
8
Здесь только хорошие новости! 05:14 24 ноя 2017
4 случая, когда лучше не сохранять брак
4 случая, когда лучше не сохранять брак
89
Женский развлекательный и поучительный сайт. 13:33 17 июл 2020
МОЛОДАЯ СЕМЬЯ ВЪЕХАЛА В НОВЫЙ ДОМ, НО ИНТУИЦИЯ ЗАСТАВИЛА ИХ ПРОВЕРИТЬ СТЕНЫ И ПОТОЛОК. Не зря!
МОЛОДАЯ СЕМЬЯ ВЪЕХАЛА В НОВЫЙ ДОМ, НО ИНТУИЦИЯ ЗАСТАВИЛА ИХ ПРОВЕРИТЬ СТЕНЫ И ПОТОЛОК. Не зря!
1
Интересный мир 07:50 30 мар 2017
20 горных козлов, которые игнорируют гравитацию
20 горных козлов, которые игнорируют гравитацию
0
Интересный мир 10:50 19 май 2016
Просто хотел проверить чувства девушки – сказал, что моя фирма обанкротилась
Просто хотел проверить чувства девушки – сказал, что моя фирма обанкротилась
3
Сайт обо всём и для всех 14:03 15 ноя 2021
Цветы из мыла своими руками
Цветы из мыла своими руками
0
Женский развлекательный и поучительный сайт. 12:39 Сегодня

Выберете причину обращения:

Выберите действие

Укажите ваш емейл:

Укажите емейл

Такого емейла у нас нет.

Проверьте ваш емейл:

Укажите емейл

Почему-то мы не можем найти ваши данные. Напишите, пожалуйста, в специальный раздел обратной связи: Не смогли найти емейл. Наш менеджер разберется в сложившейся ситуации.

Ваши данные удалены

Просим прощения за доставленные неудобства