Новая теория квантовой гравитации утверждает, что ни один объект не имеет точно определенной массы

Последние несколько десятилетий множество физиков пытались создать теорию, объединяющую квантовую механику — описывающую поведение атомов и субатомных частиц — и гравитацию, описывающую поведение куда более крупных объектов. Считается, что такое объединение могло бы решить ряд проблем как гравитационной теории (вроде сингулярностей в момент Большого взрыва или космологической постоянной), так и квантовой.

Однако все попытки объединить их на практике приводили к странностям. Например, когда космологическую постоянную попробовали вывести из квантовой механики, у нее получилась величина, отличающаяся от наблюдаемой астрономами на 120 порядков, — «худшее предсказание в истории науки», как его называют сами физики.

Ряд ученых указывают на то, что сама идея объединения этих теорий зиждется на зыбком основании. Во-первых, сингулярностей во многих вариантах физических теорий нет — ни в момент Большого взрыва, ни в центрах черных дыр. Во-вторых, квантовая механика описывает события, развивающиеся во времени, а Общая теория относительности (описывающая гравитацию) имеет дело со временем, уже «встроенным» в пространство. Неясно, можно ли в принципе объединить теории, в одной из которых время «внешнее», а в другой — «встроенное». Однако попытки создать единую теорию всего все равно не прекращаются.

Очередную такую предприняли физики из Университетского колледжа Лондона (Великобритания), опубликовавшие две новые работы в Physical Review X и Nature Communications. Их гипотеза радикально отличается от предшественников: предполагается, что пространство-время не квантовано, классическое, как в Общей теории относительности, то есть квантовая теория на него вообще никак не влияет. Это значит, что такая гипотеза избегает главных проблем своих предшественников — того, что попытки «квантования» пространства-времени все время вели к абсурдным предсказаниям в отношении Вселенной в целом. Раз квантовая механика не затрагивает пространство-время, то и предсказаний по нему она не делает, отчего не делает и ошибок в них.

Взамен «модифицирования» физики пространства-времени авторы новой гипотезы предложили модифицировать квантовую механику. Ученые назвали это постквантовой теорией классической гравитации. В ее рамках предполагается, что кривизна пространства-времени может быть объектом сильной неопределенности, в чем-то похожей на принцип неопределенности Гейзенберга.

Исследователи постулируют, что при попытке достаточно точно измерить массу материальных макроскопических объектов (на ней отражается кривизна пространства-времени) любой измеряющий получит огромные значения неопределенности. Речь идет о намного более точных измерениях, чем те, что используют сегодня для определения, например, массы эталона килограмма.

Ученые во второй работе показали, что подобные измерения, предпринятые в разные моменты времени, должны демонстрировать сильно различающиеся результаты. По сути, новая гипотеза утверждает, что у любого объекта нет постоянной массы, а наши представления о том, что она есть, — лишь результат недостаточной точности измерений.

Поскольку для обнаружения такой «постквантовой неопределенности» массы тела нужна огромная точность, новая гипотеза не отражается на космологии и астрофизике. Там просто нет точности измерения массы тел нужного уровня, поэтому неопределенности не возникают. Однако для эталона килограмма такие измерения возможны, хотя и потребуют создания особо точных лабораторных «весов».

Во второй работе исследователи предложили подобный эксперимент и показали, что средства измерения (до создания нужной экспериментальной установки) пока недостаточно точны, чтобы подтвердить или опровергнуть новую гипотезу.

Тем не менее технически доступные усовершенствования позволяют устроить такую экспериментальную проверку в обозримом будущем.

Ведущий автор новой гипотезы, профессор Джонатан Оппенгейм (Jonathan Oppenheim), решил заключить пари (с довольно рискованным коэффициентом 5000 к 1) на то, что эксперимент такого рода подтвердит его идею. Соответствующая ставка зафиксирована вот здесь, причем приняли пари два сторонника других концепций квантовой гравитации — Карло Ровелли (Carlo Rovelli) и Джефф Пенингтон (Geoff Penington). Первый — сторонник петлевой квантовой гравитации, второй — струнщик.

Сильной стороной новой гипотезы надо назвать тот факт, что она, в отличие от струнной, проверяема. Современные варианты теории струн, другого варианта объединения квантовой механики и гравитации, по сути, непроверяемы ни экспериментально, ни наблюдениями (точнее, нужные средства проверки невозможно создать в обозримом будущем). То же самое, по сути, относится ко многим современным гипотезам петлевой квантовой гравитации. А непроверяемые теории не очень много чего добавляют к научному знанию: даже если они верны, но из этого нет никаких наблюдаемых физических результатов, то с их помощью ничего не получится предсказать. Правда, экспериментальная проверка гипотезы Оппенгейма может занять много лет, поскольку требуемые ею измерения организовать хотя и можно, но технически довольно сложно.

Другой плюс гипотезы — она решает вопрос с «пропажей информации» в черной дыре. В ее рамках информация вполне может уничтожаться за счет случайных флуктуаций, распространяющихся не только на квантовомеханические процессы, но и на макроскопические объекты.