Квантовая гравитация пытается объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Квантовые поправки к классической гравитации визуализируются в виде петлевых диаграмм, как показано здесь белым цветом. Изображение предоставлено SLAC National Accelerator Lab.

10 тайн пространства-времени, которые могла бы решить квантовая гравитация

Есть много вопросов, на которые мы не знаем ответа. С квантовой гравитацией они могут быть решены!

Эта статья написана Сабиной Хоссенфельдер. Сабина - физик-теоретик, специализирующийся на квантовой гравитации и физике высоких энергий. Она также внештатный пишет о науке.

Теория общей теории относительности Эйнштейна, где гравитация вызвана искривлением пространства-времени, удивительна. Это было подтверждено с невероятной точностью, достигая в некоторых случаях пятнадцати значимых цифр. Одним из самых удивительных предсказаний является существование гравитационных волн: небольшие возмущения в пространстве-времени, которые распространяются свободно. Эти самые волны в настоящее время регулярно обнаруживаются в экспериментах LIGO / VIRGO.

Но мы знаем, что общая теория относительности неполна. Это хорошо работает, когда квантовые эффекты пространства-времени малы, что почти всегда так. Но когда квантовые эффекты пространства-времени становятся большими, нам нужна лучшая теория: теория «квантовой гравитации».

Иллюстрация ранней Вселенной, состоящей из квантовой пены, где квантовые флуктуации велики, разнообразны и важны в самых маленьких масштабах. Изображение предоставлено NASA / CXC / M.Weiss.

Поскольку мы еще не знаем теорию квантовой гравитации, мы не знаем, что такое пространство и время. У нас есть несколько теорий-кандидатов для квантовой гравитации, но ни одна из них не является общепринятой. Тем не менее, основываясь на существующих подходах, мы можем предположить, что может произойти с пространством и временем в теории квантовой гравитации. Здесь я собрал десять самых ошеломляющих рассуждений для вас:

1.) В квантовой гравитации мы ожидаем, что пространство-время будет сильно колебаться даже в отсутствие материи. В квантовом мире вакуум никогда не отдыхает, равно как и пространство и время.

В самых маленьких квантовых масштабах Вселенная может быть заполнена крошечными микроскопическими черными дырами с малой массой. Эти отверстия могут соединяться или расширяться внутрь очень интересной моды. Изображение предоставлено NASA.

2.) Квантовое пространство-время может быть заполнено микроскопическими черными дырами. Что еще более странно, он может иметь червоточины или давать начало вселенным младенца, которые представляют собой маленькие пузырьки, которые отрываются от материальной вселенной.

3.) И поскольку это квантовая теория, пространство-время может делать все это одновременно! Это может как создать детскую вселенную, так и не создать ее одновременно.

Ткань пространства-времени может вовсе не быть тканью, но может быть сделана из дискретных компонентов, которые кажутся нам только сплошной тканью в больших, макроскопических масштабах.

4.) В большинстве подходов к квантовой гравитации пространство-время не является фундаментальным, а состоит из чего-то другого. Это могут быть строки, петли, кубиты или некоторый вариант пространственно-временных «атомов», которые появляются в подходах на основе конденсированных сред. Отдельные составляющие, однако, могут быть разрешены только при зондировании с чрезвычайно высокими энергиями, намного превышающими то, что мы можем достичь на Земле.

5.) В некоторых подходах на основе конденсированных сред пространство-время обладает такими свойствами, как твердое тело или жидкость, поэтому оно может быть упругим или иметь вязкость. Если это так, это может привести к заметным последствиям. В настоящее время физики ищут такие эффекты, изучая частицы-посланники, например, свет или электроны, которые достигают нас издалека в космосе.

Схематическое изображение непрерывного луча света, рассеянного призмой. В некоторых идеях, имеющих отношение к квантовой гравитации, само пространство может действовать как дисперсионная среда для различных длин волн света. Изображение предоставлено: LucasVB / Wikimedia Commons.

6.) Пространство-время может повлиять на то, как свет проходит через него. Он может быть не совсем прозрачным, или свет разных цветов может распространяться с разными скоростями, эффект, известный как «рассеивание». Если квантовое пространство-время влияет на распространение света, это также может наблюдаться в будущих экспериментах.

7.) Колебания пространства-времени могут разрушить способность света от удаленных источников создавать интерференционные картины. Этот эффект был найден и не найден, по крайней мере, не так далеко и не в видимом диапазоне.

Свет, проходящий через две толстые щели (сверху), две тонкие щели (посередине) или одну толстую щель (снизу), свидетельствует о наличии помех, указывая на волнообразную природу. Но в квантовой гравитации некоторые ожидаемые интерференционные свойства могут быть невозможны. Изображение предоставлено: Бенджамин Кроуэлл.

8.) В областях сильной кривизны время может превратиться в пространство. Это может произойти, например, внутри черных дыр или при большом взрыве. В таком случае то, что мы теперь знаем как пространство-время с тремя измерениями пространства и одним измерением времени, может превратиться в четырехмерное «евклидово» пространство.

Соединение двух разных мест в пространстве или времени через червоточину остается теоретической идеей, но представляет собой интригующую возможность, которая может быть не только важной, но и неизбежной в квантовой гравитации. Изображение предоставлено пользователем Wikimedia Commons Kes47.

9.) Пространство-время может быть не локально связано с крошечными ярлыками, охватывающими всю вселенную. Такие нелокальные связи должны существовать во всех подходах, базовая структура которых не является геометрической, таких как граф или сеть. Это связано с тем, что в таких случаях понятие «поблизости» не является фундаментальным, а только производным, и оно должно быть несовершенным, чтобы в некоторых случаях очень отдаленные места могли быть случайно связаны.

IBM Four Qubit Square Circuit, новаторский прогресс в вычислениях, может привести к созданию компьютеров, достаточно мощных для моделирования всей вселенной. Но область квантовых вычислений все еще находится в зачаточном состоянии. Изображение предоставлено IBM Research.

10.) Может быть, чтобы объединить квантовую теорию с гравитацией, нам нужно обновлять не гравитацию, а саму квантовую теорию. Если это так, то последствия могут быть далеко идущими. Поскольку квантовая теория лежит в основе всех электронных устройств, и, если она должна быть изменена, это может открыть совершенно новые возможности.

Хотя квантовая гравитация часто рассматривается как отдаленная теоретическая идея, существует много возможных путей для ее проверки в наблюдательном или экспериментальном тесте. Уже некоторые важные ограничения были получены от проведения тех же самых наблюдений и измерений. Мы все путешествуем в пространстве-времени каждый день. Понимание этого может изменить нашу жизнь.

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трэкология»: «Наука звездного пути от трикодеров до варп-драйва».