Новое исследование бросает вызов нашим представлениям о квантовых полях и о том, как работает классическая гравитация.
Физики пытаются создать теорию квантовой гравитации, которая бы объединила непримиримые между собой квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна. Новое исследование показывает, что классическая гравитация может взаимодействовать с квантовыми полями, что приводит к квантовой запутанности материи. И это даже без наличия концепции квантовой гравитации. Новое исследование физиков бросает вызов нашим представлениям о квантовых полях и о том, как работает классическая гравитация. Исследование опубликовано в журнале Nature, пишет Space.
У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!
Відео дня
Теория квантовой гравитации
Ученые стремятся создать теорию квантовой гравитации, чтобы объединить физику, действующую в крупных масштабах и на субатомном уровне. Квантовая механика объясняет поведение субатомных частиц, общая теория относительности Эйнштейна, которая з описывает принцип работы гравитации, объясняет физику в больших масштабах. Хотя квантовая физика и общая теория относительности появились в начале прошлого века, ученые до сих пор не знают, как их объединить. В настоящее время обе теории противоречат друг другу.
Квантовая суперпозиция
На самом деле, новое открытие физиков может усложнить ситуацию. Их исследование основано на мысленном эксперименте физика Ричарда Фейнмана, предложенном в 1957 году. Этот мысленный эксперимент предполагал помещение объекта в квантовую суперпозицию.
Значения свойств, составляющих квантовое состояние частицы, имеют вероятностную природу, и это распределение вероятностей описывается волной, пик которой представляет наибольшую вероятность. Квантовая суперпозиция проявляется, когда волновые функции для различных вероятностей накладываются друг на друга.
Мысленный эксперимент Фейнмана помещал положение одного объекта в суперпозицию. Проще говоря, объект существовал бы одновременно в двух местах, пока его не наблюдают. После наблюдения за объектом его волновая функция коллапсирует. Затем в эксперимент Фейнмана вводился второй объект. Если первый объект в состоянии квантовой суперпозиции взаимодействовал с помощью гравитации со вторым объектом, несмотря на то, что состояние суперпозиции первого объекта коллапсировало, Фейнман утверждал, что это будет признаком действия квантовой гравитации. То есть физик считал, что если гравитационное поле объекта находится в квантовой суперпозиции, то гравитация также может быть квантовой.
Квантовая запутанность
Сейчас связь межу объектами в этом мысленном эксперименте объясняют их квантовой запутанностью. Это означает, что квантовые свойства объектов становятся неразрывно связанными друг с другом до такой степени, что изменение свойств одного объекта вызовет изменение свойств другого. Это происходит даже если объекты находятся чрезвычайно далеко друг от друга. Авторы исследования показали, что квантовая запутанность может существовать и без квантовой гравитации.
Кванты главных сил природы
Альберт Эйнштейн описывал гравитацию как искривление пространства-времени. Но, когда дело доходит до квантовой физики, возникает проблема. В квантовой физике фундаментальные взаимодействия, то есть главные силы природы, состоят из отдельных пакетов энергии, которые называются квантами.
Например, квант электромагнитного взаимодействия — это фотон. Это значит, что в квантовом описании классической гравитации она должна иметь свои кванты. Считается, что гравитоны, но их никто никогда не видел.
Более того, в квантовой гравитации квантовая запутанность гравитационных полей опосредуется виртуальными гравитонами. В реальности они не существуют, поэтому их называют виртуальными, но в мире квантовой физики несуществующие частицы могут существовать очень короткое время.
Неожиданное открытие физиков
Физики показали, что даже если гравитация не является квантовой, она все же может приводить к квантовой запутанности материи. Таким образом гравитацию можно описать в соответствии с квантовой теорией поля. Классическое гравитационное поле взаимодействует с квантовым полем материи, составляющей два объекта, и эта запутанность опосредуется виртуальными частицами. По сути, физики изобразили виртуальные атомы.
По словам ученых, считалось, что для запутывания гравитационного взаимодействия необходимо, чтобы гравитационное поле было квантовым, чтобы оно могло находиться в квантовой суперпозиции. Но новое исследование показывает, что с гравитацией могут быть связаны квантовые процессы. Даже если гравитация является классической, а не квантовой, она все равно может приводить материю в состояние квантовой запутанности.
Физики говорят, что они не исключают существование квантовой гравитации, но новое открытие показывает нечто новое в поведении классической гравитации.
Как уже писал Фокус, ученые пришли к выводу, что черные дыры соединяются между собой длинными и неровными червоточинами. Это решает давнюю проблему в физике.
Также Фокус писал о том, что знаменитые "Семь сестер" в космосе в 20 раз больше, чем считали астрономы. Ученые обнаружили, что знаменитое звездное скопление Плеяды содержит намного больше звезд, чем предполагалось.
