Ученые пересматривают саму природу пространства и времени

Исследователи обнаружили потенциальный мост между общей теорией относительности и квантовой механикой – двумя выдающимися физическими теориями – и это могло заставить физиков переосмыслить саму природу пространства и времени.

Теория общей теории относительности Альберта Эйнштейна описывает гравитацию как геометрическое свойство пространства и времени. Чем массивнее объект, тем больше его искажение пространства-времени и это искажение ощущается как гравитация.

В 1970-х годах физики Стивен Хокинг и Якоб Беккенштейн отмечали связь между площадью поверхности черных дыр и их микроскопической квантовой структурой, которая определяет их энтропию. Это означало первое осознание того, что существует связь между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Менее чем через три десятилетия теоретик-физик Хуан Мальдацена наблюдал еще одну связь между гравитацией и квантовым миром. Эта связь привела к созданию модели, которая предполагает, что пространство-время может быть создано или уничтожено путем изменения количества запутывания между различными поверхностными областями объекта.

Другими словами, это означает, что само пространство-время, по крайней мере, как оно определено в моделях, является продуктом переплетения между объектами.

Чтобы продолжить изучение этой линии мышления, Чунджун Цао и Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института (CalTech) решили посмотреть, действительно ли они могут получить динамические свойства гравитации (как известно из общей теории относительности), используя структуру, в которой возникает пространство-время из квантовой запутанности. Их исследования были недавно опубликованы в arXiv.

Используя абстрактное математическое понятие, называемое гильбертовым пространством, Цао и Кэрролл смогли найти сходство между уравнениями, которые управляют квантовым запутыванием, и уравнениями общей теории относительности Эйнштейна. Это подтверждает мысль о том, что пространство-время и гравитация возникают из-за запутывания.

«Одним из наиболее очевидных является проверка того, восстанавливаются ли симметрии относительности в этой структуре, в частности, идея о том, что законы физики не зависят от того, насколько быстро вы двигаетесь в пространстве», – сказал Кэрролл.

Теория всего

Сегодня почти все, что мы знаем о физических аспектах нашей вселенной, можно объяснить либо общей теорией относительности, либо квантовой механикой. Первая делает большую работу по объяснению активности в очень больших масштабах, таких как планеты или галактики, в то время как последняя помогает нам понять очень маленькие масштабы, такие как атомы и субатомные частицы.

Однако две теории кажутся несовместимыми друг с другом. Это привело к тому, что физики искали неуловимую «теорию всего» – единую структуру, которая объясняла бы все это, включая природу пространства и времени.

Поскольку гравитация и пространство-время являются важной частью «всего», Кэрролл сказал, что он считает, что исследования, выполненные им и Цао, могут способствовать поиску теории, которая примиряет общую теорию относительности и квантовую механику.

«Наши исследования пока не говорят о других силах природы, поэтому мы все еще довольно далеки от «создания теории всего », – сказал он.

Тем не менее, если бы мы могли найти такую необычную теорию, это могло бы помочь нам ответить на некоторые из самых больших вопросов, стоящих сегодня перед учеными. Мы сможем наконец понять истинную природу темной материи, темной энергии, черных дыр и других таинственных космических объектов.

Уже сейчас исследователи проникают в способность квантового мира радикально улучшить наши вычислительные системы, и теория всего может потенциально ускорить процесс, раскрыв новые взгляды на все еще в значительной степени запутанный мир.