Откуда в нашей Вселенной гравитация

Гравитацию разжаловали в побочные эффекты

Физик Джулиан Соннер предложил оригинальный ответ на вопрос, откуда в нашей Вселенной берется гравитация. По его мнению, она побочный эффект состояния квантовой запутанности кварков. Как только между частицами возникает запутанное состояние, оно сразу же порождает такую пространственно-временную геометрию, в которой имеет место быть гравитация.

Фото:

Основной проблемой современной теоретической физики является отсутствие согласованного описания многих процессов на уровне макро и микромира. Типичный пример — это гравитационное взаимодействие, достаточно хорошо изученное в рамках Общей теории относительности, теории Эйнштейна — Картана и некоторых других фундаментальных моделей. Однако все эти построения описывают гравитацию исключительно в рамках макромира. А вот квантовой теории гравитации, которая дала бы описание этого процесса с точки зрения взаимодействия частиц, то есть событий микромира, до сих пор пока еще нет — более того, все попытки построить ее, давно уже зашли в тупик.

Впрочем, нельзя сказать, что так уж прям все — активно развивающаяся ныне Теория суперструн (известная также как М-теория) как раз ставит своей целью "помирить" квантовую механику с Общей теорией относительности и, в частности, предложить описание гравитационного взаимодействия на квантовом уровне. Однако пока что этого не получается сделать — отчасти из-за того, что математический аппарат этой теории сложен настолько, что самые элементарные расчеты занимают годы. Хотя некоторые успехи у "суперструнщиков" все же имеются — и об одном из таких я и хочу рассказать в данной статье.

Физик Джулиан Соннер из Массачусетского технологического института (США) предложил достаточно интересный взгляд на проблему гравитации — согласно его расчетам, она совсем не является отдельным видом взаимодействия материи, а является побочным эффектом… квантового запутанности. Напомню, что квантовой запутанностью называют такую ситуацию, при которой квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Это проще пояснить на таком примере — представьте себе, что два человека, находящиеся друг от друга на значительном расстоянии (величина которого здесь совершенно не играет никакой роли), находятся в состоянии квантовой запутанности. Так вот, пока они в нем находятся, они будут, не договариваясь друг с другом совершать совершенно одинаковые действия. И, более того, с ними будут происходить одни и те же события (до тех пор, пока мы не захотим измерить параметры одного из этих людей, ибо вмешательство наблюдателя всегда разрушает состояние запутанности).

Традиционно считается, что состояние квантовой запутанности свойственно лишь объектам микромира — таким, как элементарные частицы. И это состояние уже во всю используется учеными в разных экспериментах, самым известным из которых является квантовая телепортация (попытка установить канал связи через взаимодействие запутанных частиц). А вот о том, могут ли объекты макромира пребывать в таком состоянии, до сих пор известно очень и очень мало — хотя некоторые опыты доказали, что при определенных условиях могут.

Более того, Хуан Малдасена из Института сложных исследований в Принстоне и Леонард Саскинд из Стэнфордского университета предложили оригинальную теорию, объясняющую механизм возникновения так называемых кротовых нор во Вселенной (гипотетических туннели в пространстве-времени, соединяющие черные дыры, по которым можно перемещаться со скоростью, превышающей таковую света, то есть почти мгновенно). Они предположили, что такая "кротовина" возникает потому, что между парой черных дыр (которые, кстати, могут быть расположены в разных концах Вселенной) возникает состояние запутанности. Именно эта работа и вдохновила Джулиана Соннера на создание своей теории, которая могла бы описать гравитацию на квантовом уровне.

Ученый начал с того, что рассчитал последствия, к которым может привести процесс запутывания двух кварков (мельчайших достоверно известных на сегодня частиц, являющихся основным строительным материалом для барионов, в том числе и протонов с нейтронами). Он рассмотрел возникновение пары квантово запутанных кварков из вакуума при помощи эффекта Швингера — когда появления пар частиц "из ничего" происходит под действием электрического поля, затем "нанес их на карту" в нашем четырехмерном пространстве (где есть три линейных измерения и еще время). После чего он предположил, что гравитация с точки зрения такого подхода является ничем иным, как пятым измерением, поэтому для того, чтобы увидеть, что за геометрия может возникнуть в там от запутанных частиц в четвертом измерении, исследователь применил метод голографической дуальности (который выявляет связь между теорией гравитации в некотором мире и определенной теорией элементарных частиц, живущих на "границе" этого мира).

Читайте также: Наш мир — всего лишь голограмма?

В итоге доктор Соннер пришел к интересным и весьма парадоксальным результатам. Оказалось, что сам факт создания запутанных кварков из вакуума сразу же ведет к возникновению между ними кротовой норы. Ну, а поскольку, как мы помним, таковая может возникнуть только под действием гравитации, то в таком случае возникновение последней является ничем иным, как прямым следствием существовании квантовой запутанности. Проще говоря, как только между частицами возникает запутанное состояние, оно сразу же порождает такую пространственно-временную геометрию, в которой имеет место быть гравитация (которое, как мы видим, действительно не является самостоятельным взаимодействием, а лишь следствием запутанного состояния).

"Это самое фундаментальное на сегодня описание, в котором квантовая запутанность порождает некий вид геометрии. Что случится, если что-то из этого запутывания будет потеряно? Что произойдет тогда с геометрией? Здесь много вариантов для дальнейшего исследования, в и этом смысле работа может оказаться очень полезной" — комментируют свою работу сам доктор Соннер. Он так же подчеркивает, что теперь стала понятна одна простая вещь: само воздействие на геометрию Вселенной или ее искривление классической гравитацией может также быть следствием запутывания — таким же, к примеру, как между парами частиц, связанными друг с другом кротовой норой.

Как видите, версия Джулиана Соннера действительно достаточно точно описывает механизм возникновения гравитации на квантовом уровне. Однако его гипотеза все равно не устанавливает связи между описанием гравитации на уровне микро- и макромира — ведь даже если предположить, что эта сила является побочным эффектом запутывания частиц, остается совершенно непонятным, почему, например, она возрастает вместе с массой объекта. Одним словом, в этой вопросе загадок по прежнему больше, чем разгадок, а это говорит о том, что и для теоретиков, и для экспериментаторов найдется еще много работы…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"