Більшість фізиків впевнені, що коли ми збільшуємо масштаб тканини реальності, неінтуїтивно зрозумілі дивацтва квантової механіки тільки посилюються. До найдрібніших деталей. Квантова механіка стикається з класичною гравітацією у рішуче несумісний спосіб.
Тож протягом майже століття дослідники намагалися створити єдину теорію шляхом квантування гравітації, або ліпили її за правилами мікрокосму. Не вдалося.
Джонатан Оппенгейм, який керує програмою вивчення постквантових альтернатив в Університетському коледжі Лондона, підозрює, що гравітацію просто неможливо втиснути у квантову коробку.
Можливо, таке припущення - хибне від самого початку. "Ця думка вкорінена, - каже він. - "Але ніхто не знає, в чому полягає істина".
Квантові теорії ґрунтуються на ймовірностях, а не на впевненості. Наприклад, коли ви вимірюєте частинку, ви не можете точно передбачити, де ви її знайдете. Але ви можете передбачити ймовірність того, що вона знаходиться в певному місці.
Мало того, чим більше ви знаєте про місцеперебування частинки, тим менше ви знаєте про її імпульс. Протягом 20-го століття фізики поступово осмислювали електромагнетизм та інші сили, використовуючи таку методологію.
Але коли вони спробували квантифікувати гравітацію, то зіткнулися з неприродними нескінченностями, які довелося обходити за допомогою незграбних математичних трюків.
Проблеми виникають через те, що гравітація виникає з самого простору-часу, вона не є чимось, що діє на нього зверху.
Отже, якщо гравітація квантується, це означає, що простір-час також квантується. Але такий підхід не працює, тому що квантова теорія має сенс лише на тлі класичного простору-часу - ви не можете додавати, а потім еволюціонувати квантові стани на невизначеному фундаменті.
Щоб вирішити цей глибокий концептуальний конфлікт, більшість теоретиків звернулися до теорії струн, яка уявляє, що матерія і простір-час редукується з крихітних вібруючих струн.
Менша група віддає перевагу петльовій квантовій гравітації, яка замінює гладкий простір-час загальної теорії відносності Ейнштейна мережею зчеплених між собою петель.
В обох теоріях наш знайомий класичний світ якимось чином випливає з фундаментально квантових будівельних блоків.
Оппенгейм спочатку був прихильником теорії струн, а вони вірять у перворідність квантової механіки. Але незабаром йому стало незручно від складної математичної акробатики його колег. Він не міг вирішити одну з найвідоміших проблем сучасної фізики: інформаційний парадокс чорних дір.
У 2017 році Оппенгейм почав шукати альтернативи, які б дозволили уникнути інформаційного парадокса, взявши за основу квантовий і класичний світи. Він натрапив на деякі проігноровані дослідження квантово-класичних гібридних теорій 1990-х років, які відтоді розширював і досліджував.
Вивчаючи ті напрацювання, дослідник сподівається знайти глибшу теорію - ні квантову або класичну, а якийсь гібрид. "Часто ми кладемо всі яйця в кілька кошиків, коли є багато можливостей", - нагадує він.
Щоб довести свою точку зору, Оппенгейм нещодавно уклав парі з Джеффом Пенінгтоном і Карло Ровеллі - лідерами у своїх галузях теорії струн і петльової квантової гравітації. Які були шанси? 5,000 до 1. Якщо здогадка Оппенгейма правильна і простір-час не піддається квантуванню, він виграє відра картопляних чипсів, різнокольорові пластикові м'ячі для базінги або пляшки оливкової олії, як йому заманеться - за умови, що кожен предмет коштує не більше 20 пенсів (25 центів).
"Вони підіймають всілякі напрочуд тонкі питання, - каже науковець. - Я справді збився з ніг, намагаючись зрозуміти ці системи".
"Я хочу отримати свої 5000 кульок базінги".
З Інтерв'ю QuantaMagazine від 10 липня 2023 року.
Чому більшість теоретиків так впевнені, що простір-час квантується?
Ця теза стала догмою. Всі інші поля в природі квантуються. Існує відчуття, що в гравітації немає нічого особливого - це просто поле, як і будь-яке інше - і тому ми повинні його квантувати.
Чи є гравітація особливим явищем у вашому розумінні?
Так. Фізики визначають всі інші сили в термінах полів, що розвиваються в просторі-часі. Тільки гравітація розповідає нам про геометрію та викривлення самого простору-часу. Жодна інша сила не описує універсальну фонову геометрію, в якій ми живемо, так, як гравітація.
На цей момент наша найкраща теорія квантової механіки використовує фонову структуру простору-часу, яку визначає гравітація. І якщо ви дійсно вірите, що гравітацію можна квантувати, тоді ми втрачаємо саму фонову структуру.
З якими проблемами ви стикаєтесь, якщо гравітація має класичну, а не квантовану природу?
Тривалий час спільнота вважала логічно неможливим, щоб гравітація була класичною, - адже поєднання квантової системи з класичною призведе до суперечностей.
У 1950-х роках Річард Фейнман уявив ситуацію, яка висвітлила проблему: він почав з масивної частинки, що знаходиться в суперпозиції двох різних місць. Цими місцями можуть бути два отвори в металевому листі, на зразок знаного експерименту з подвійною щілиною. Тут частинка також поводиться як хвиля. Вона створює інтерференційну картину зі світлих і темних смуг по інший бік щілин, що унеможливлює визначення того, через яку саме щілину вона пройшла. У популярній літературі частинку іноді описують як таку, що проходить через обидві щілини одночасно.
Але оскільки частинка має масу, вона створює гравітаційне поле, яке ми можемо виміряти. І це гравітаційне поле вказує нам на її місцеперебування. Якщо гравітаційне поле класичне, ми можемо виміряти його з нескінченною точністю, зробити висновок про місцеперебування частинки й визначити, через яку щілину вона пройшла.
Отже, ми маємо парадоксальну ситуацію - інтерференційна картина говорить нам, що ми не можемо визначити, через яку щілину пройшла частинка, але класичне гравітаційне поле дозволяє нам це зробити.
Але якщо гравітаційне поле квантується, тоді парадоксу не існує - невизначеність закрадається при вимірюванні гравітаційного поля, і тому ми все ще маємо невизначеність у визначенні самого поля.
Отже, якщо гравітація поводиться класично, то в кінцевому підсумку ми знаємо занадто багато. А це означає, що заповітні ідеї квантової механіки, такі як суперпозиція, руйнуються?
Так, гравітаційне поле знає занадто багато. Але в аргументації Фейнмана є лазівка, що дозволяє працювати класичній гравітації.
Що це за лазівка?
Наразі ми знаємо, який шлях проходить частинка, лише тому, що вона створює певне гравітаційне поле, яке викривляє простір-час і дозволяє нам визначити її місцеперебування.
Але якщо така взаємодія випадкова - або непередбачувана - тоді сама частинка не повністю диктує гравітаційне поле. Тобто вимірювання гравітаційного поля не завжди визначить, через яку щілину пройшла частинка, тому що гравітаційне поле може перебувати в одному з багатьох станів. Випадковість закрадається, і ви більше не маєте парадоксу.
Так чому ж більшість фізиків не вважають гравітацію класичною?
Ну, логічно мати теорію, де не квантуються всі поля. Але для того, щоб класична теорія гравітації узгоджувалась з усім іншим, що квантується, гравітація має бути фундаментально випадковою. Для багатьох фізиків це неприйнятно.
Чому?
Фізики проводять багато часу, намагаючись зрозуміти, як працює природа. Тому думка про те, що на дуже глибокому рівні існує щось непередбачуване за своєю суттю, викликає у багатьох занепокоєння.
Результати вимірювань в рамках квантової теорії здаються ймовірнісними. Але багато фізиків допускають, що те, що виглядає як випадковість, - просто взаємодія квантової системи та вимірювального приладу з навколишнім середовищем. Вони не розглядають її як якусь фундаментальну особливість реальності.
Що ви пропонуєте?
Моє найкраще припущення полягає в тому, що наступна теорія гравітації буде чимось, що не буде ні класичною, ні квантовою, чимось зовсім іншим.
Фізики постійно придумують моделі, які лише імітують природу. Але в якості спроби наближення ми зі студентами побудували повністю узгоджену теорію, де квантові системи й класичний простір-час взаємодіють. Нам лише довелося трохи модифікувати квантову теорію і класичну загальну теорію відносності, щоб уможливити необхідний розпад передбачуваності.
Чому ви почали працювати над цими гібридними теоріями?
Мене мотивував інформаційний парадокс чорної діри. Коли ви кидаєте квантову частинку в чорну діру, а потім даєте цій чорній дірі випаруватися, ви стикаєтеся з парадоксом, якщо вірите, що чорні діри зберігають інформацію.
Стандартна квантова теорія вимагає, щоб будь-який об'єкт, який ви кидаєте в чорну діру, випромінювався назад у певному зашифрованому, але впізнаваному вигляді. Але загальна теорія відносності говорить нам, що ми ніколи не можемо знати про об'єкти, які перетинають горизонт подій чорної діри.
А якщо процес випаровування чорної діри недетермінований, то парадокса немає. Ми ніколи не дізнаємося, що було викинуто в чорну діру, тому що передбачуваність руйнується. Загальна теорія відносності безпечна.
Отже, шум у квантово-класичних гібридних теоріях дозволяє втрачати інформацію?
Саме так. Але збереження інформації є ключовим принципом квантової механіки. Втрата цього принципу легко не сприймається багатьма теоретиками.
В останні десятиліття точилися величезні дебати з цього приводу, і майже всі прийшли до висновку, що випаровування чорних дір є детермінованим. Мене це завжди спантеличувало.
Чи експерименти коли-небудь вирішать, чи є гравітація квантованою, чи ні?
В якийсь момент. Ми досі майже нічого не знаємо про гравітацію на найменших масштабах. Вона навіть не була протестована на міліметровому рівні, не кажучи вже про рівень протона. Але в Інтернеті з'являються цікаві експерименти, які дозволяють формувати припущення.
Одне з них - сучасна версія "експерименту Кавендиша", який обчислює силу гравітаційного тяжіння між двома свинцевими сферами. Якщо гравітаційне поле побудоване на випадковості, то коли ми спробуємо виміряти його силу, ми не завжди отримаємо однакову відповідь. Гравітаційне поле буде коливатися. Будь-яка теорія, де гравітація залишається фундаментально класичною, має певний рівень гравітаційного шуму.
Звідки ви знаєте, що подібна випадковість притаманна гравітаційному полю, а не якомусь шуму з навколишнього середовища?
Ніяк. Гравітація настільки слабка сила, що навіть найкращі експерименти вже мають багато гойдалок. Тому ви повинні усунути всі інші джерела шуму, наскільки можливо.
Цікаво те, що ми зі студентами показали, що якщо гібридні теорії мають, існуватиме якась мінімальна кількість гравітаційного шуму. Його можна виміряти, вивчаючи атоми золота в експерименті з подвійною щілиною. І вже експерименти встановлять межі фундаментальної класичності є гравітації. Ми поступово наближаємось до кордонів дозволеної невизначеності.
З іншого боку, чи існують експерименти, які б довели, що гравітація - квантована?
Існує ймовірність деяких експериментів, які здатні шукати заплутаність, опосередковану гравітаційним полем. Оскільки заплутаність має квантову природу, має бути прямий тест на квантову природу гравітації. Експеримент дуже цікавий, але, ймовірно, до нього ще десятиліття.
