Нова теорія квантової гравітації стверджує, що жоден об’єкт не має точно визначеної маси

Спроби об’єднання квантової теорії та гравітації протягом багатьох десятиліть не вдавалися. Новий варіант такого об’єднання має дещо кращий вигляд за попередні, але робить передбачення, з яким не так-то просто змиритися: він позбавляє визначеності масу будь-якого об’єкта у Всесвіті.

Останні кілька десятиліть безліч фізиків намагалися створити теорію, що об’єднує квантову механіку, яка описує поведінку атомів і субатомних частинок, і гравітацію, яка описує поведінку значно більших об’єктів. Вважається, що таке об’єднання могло б розв’язати низку проблем як гравітаційної теорії (на кшталт сингулярностей у момент Великого вибуху або космологічної постійної), так і квантової.

Однак усі спроби об’єднати їх на практиці призводили до дивацтв. Наприклад, коли космологічну постійну спробували вивести з квантової механіки, у неї вийшла величина, що відрізняється від спостережуваної астрономами на 120 порядків, – “найгірше передбачення в історії науки”, як його називають самі фізики.

Низка вчених вказують на те, що сама ідея об’єднання цих теорій ґрунтується на хиткому підґрунті. По-перше, сингулярностей у багатьох варіантах фізичних теорій немає – ні в момент Великого вибуху, ні в центрах чорних дір. По-друге, квантова механіка описує події, що розвиваються в часі, а Загальна теорія відносності (що описує гравітацію) має справу з часом, уже “вбудованим” у простір. Неясно, чи можна в принципі об’єднати теорії, в одній з яких час “зовнішній”, а в іншій – “вбудований”. Однак спроби створити єдину теорію всього все одно не припиняються.

Чергову таку зробили фізики з Університетського коледжу Лондона (Велика Британія), які опублікували дві нові роботи в Physical Review X і Nature Communications. Їхня гіпотеза радикально відрізняється від попередників: передбачається, що простір-час не квантований, класичний, як у Загальній теорії відносності, тобто квантова теорія на нього взагалі ніяк не впливає. Це означає, що така гіпотеза уникає головних проблем своїх попередників – того, що спроби “квантування” простору-часу весь час призводили до абсурдних прогнозів щодо Всесвіту в цілому. Оскільки квантова механіка не торкається простору-часу, то і передбачень щодо нього вона не робить, тому не робить і помилок у них.

Натомість “модифікування” фізики простору-часу автори нової гіпотези запропонували модифікувати квантову механіку. Вчені назвали це постквантовою теорією класичної гравітації. У її рамках передбачається, що кривизна простору-часу може бути об’єктом сильної невизначеності, в чомусь схожою на принцип невизначеності Гейзенберга.

Дослідники постулюють, що під час спроби досить точно виміряти масу матеріальних макроскопічних об’єктів (на ній відбивається кривизна простору-часу) будь-який вимірювач отримає величезні значення невизначеності. Йдеться про набагато точніші вимірювання, ніж ті, що використовують сьогодні для визначення, наприклад, маси еталона кілограма.

Вчені в другій роботі показали, що подібні вимірювання, зроблені в різні моменти часу, повинні демонструвати результати, які сильно різняться. По суті, нова гіпотеза стверджує, що у будь-якого об’єкта немає постійної маси, а наші уявлення про те, що вона є, – лише результат недостатньої точності вимірювань.

Оскільки для виявлення такої “постквантової невизначеності” маси тіла потрібна величезна точність, нова гіпотеза не відбивається на космології та астрофізиці. Там просто немає точності вимірювання маси тіл потрібного рівня, тому невизначеності не виникають. Однак для еталона кілограма такі вимірювання можливі, хоча й потребують створення особливо точних лабораторних “ваг”.

У другій роботі дослідники запропонували подібний експеримент і показали, що засоби вимірювання (до створення потрібної експериментальної установки) поки що недостатньо точні, щоб підтвердити або спростувати нову гіпотезу.

Проте технічно доступні вдосконалення дають змогу влаштувати таку експериментальну перевірку в осяжному майбутньому.

Провідний автор нової гіпотези, професор Джонатан Оппенгейм (Jonathan Oppenheim), вирішив укласти парі (з доволі ризикованим коефіцієнтом 5000 до 1) на те, що експеримент такого роду підтвердить його ідею. Відповідну ставку зафіксовано ось тут, причому прийняли парі два прихильники інших концепцій квантової гравітації – Карло Ровеллі (Carlo Rovelli) і Дежфф Пенінгтон (Geoff Penington). Перший – прихильник петльової квантової гравітації, другий – струнник.

Умови парі петлевиків і струнщиків з автором нової гіпотези доволі незвичні навіть для наукового середовища: опоненти Оппенгейма так упевнені в його програші, що прийняли ставку в 5000 до одного. Це означає, що якщо він програє, то заплатить їм обом не більше 0,4 фунтів стерлінгів у сумі. Якщо ж виграє він, то вони заплатять йому до 1000 фунтів стерлінгів. Таке наукове парі рідко побачиш десь за межами Британії / © ucl.ac.uk

Сильною стороною нової гіпотези треба назвати той факт, що вона, на відміну від струнної, перевіряється. Сучасні варіанти теорії струн, іншого варіанта об’єднання квантової механіки і гравітації, по суті, неперевірені ні експериментально, ні спостереженнями (точніше, потрібні засоби перевірки неможливо створити в осяжному майбутньому). Те ж саме, по суті, стосується багатьох сучасних гіпотез петлевої квантової гравітації. А неперевірені теорії не дуже багато чого додають до наукового знання: навіть якщо вони вірні, але з цього немає ніяких спостережуваних фізичних результатів, то з їхньою допомогою нічого не вийде передбачити. Щоправда, експериментальна перевірка гіпотези Оппенгейма може зайняти багато років, оскільки необхідні нею вимірювання організувати хоча й можна, але технічно досить складно.

Інший плюс гіпотези – вона вирішує питання зі “зникненням інформації” в чорній дірі. В її рамках інформація цілком може знищуватися за рахунок випадкових флуктуацій, що поширюються не тільки на квантовомеханічні процеси, а й на макроскопічні об’єкти.