Jak pogodzić dwa sprzeczne filary współczesnej fizyki: teorię kwantową i grawitację? Naukowcy przez długi czas wierzyli, że prędzej czy później nauka uzna tę czy inną teorię za dominującą, ale rzeczywistość, jak zawsze, okazała się znacznie ciekawsza. Nowe badania sugerują, że grawitacja może wynikać z przypadkowych fluktuacji na poziomie kwantowym.
Spośród dwóch fundamentalnych teorii wyjaśniających otaczającą nas rzeczywistość teoria kwantowa odwołuje się do interakcji między najmniejszymi cząstkami materii, a ogólna teoria względności odnosi się do grawitacji i największych struktur w całym wszechświecie. Od czasów Einsteina fizycy próbowali wypełnić lukę między tymi naukami, ale z różnym skutkiem.
Jednym ze sposobów pogodzenia grawitacji z mechaniką kwantową było pokazanie, że grawitacja opiera się na niepodzielnych cząstkach materii, kwantach. Tę zasadę można porównać do tego, jak same kwanty światła, fotony, przedstawiają falę elektromagnetyczną. Do tej pory naukowcy nie mieli wystarczających danych, aby potwierdzić to założenie, ale Antoine Tilloy (Antoine Tilloy) z Instytutu Optyki Kwantowej. Max Planck w Garching w Niemczech próbował opisać grawitację za pomocą zasad mechaniki kwantowej. Ale jak on to zrobił?
Świat kwantowy
W teorii kwantowej stan cząstki jest opisywany przez jej funkcję falową. Pozwala na przykład obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w jednym lub drugim punkcie w przestrzeni. Przed samym pomiarem nie jest jasne nie tylko, gdzie znajduje się cząstka, ale także czy istnieje. Sam fakt pomiaru dosłownie kreuje rzeczywistość poprzez „niszczenie” funkcji falowej. Ale mechanika kwantowa rzadko zajmuje się pomiarami, dlatego jest jedną z najbardziej kontrowersyjnych dziedzin fizyki. Pamiętaj o paradoksie Schrödingera: nie możesz go rozwiązać, dopóki nie wykonasz pomiaru, otwierając pudełko i sprawdzając, czy kot żyje, czy nie.
Jednym z rozwiązań tych paradoksów jest tak zwany model GRW, który powstał pod koniec lat 80. Teoria ta obejmuje takie zjawisko jak „rozbłyski” - spontaniczne załamania funkcji falowej układów kwantowych. Rezultat jego zastosowania jest dokładnie taki sam, jak gdyby pomiary zostały przeprowadzone bez obserwatorów jako takich. Tilloy zmodyfikował go, aby pokazać, w jaki sposób można go wykorzystać do stworzenia teorii grawitacji. W swojej wersji błysk, który niszczy funkcję falową i zmusza cząstkę do bycia w jednym miejscu, tworzy również pole grawitacyjne w tym momencie w czasoprzestrzeni. Im większy system kwantowy, tym więcej zawiera cząstek i tym częściej występują rozbłyski, tworząc w ten sposób zmienne pole grawitacyjne.
Najciekawsze jest to, że średnia wartość tych fluktuacji to właśnie pole grawitacyjne, które opisuje teoria grawitacji Newtona. To podejście do zjednoczenia grawitacji z mechaniką kwantową nazywa się quasi-klasycznym: grawitacja powstaje w wyniku procesów kwantowych, ale pozostaje siłą klasyczną. „Nie ma prawdziwego powodu, aby ignorować quasi-klasyczne podejście, w którym grawitacja jest fundamentalna na podstawowym poziomie” - mówi Tilloy.
Film promocyjny:
Zjawisko grawitacji
Klaus Hornberger z Uniwersytetu Duisburg-Essen w Niemczech, który nie brał udziału w rozwoju teorii, traktuje ją z wielką sympatią. Naukowiec zwraca jednak uwagę, że zanim ta koncepcja stanie się podstawą jednolitej teorii, która jednoczy i wyjaśnia naturę wszystkich fundamentalnych aspektów otaczającego nas świata, konieczne będzie rozwiązanie szeregu problemów. Na przykład model Tilloya z pewnością można wykorzystać do uzyskania grawitacji Newtona, ale jego zgodność z teorią grawitacji nadal wymaga weryfikacji za pomocą matematyki.
Jednak sam naukowiec zgadza się, że jego teoria potrzebuje podstawy dowodowej. Na przykład przewiduje, że grawitacja będzie zachowywać się różnie w zależności od skali przedmiotowych obiektów: w przypadku atomów i supermasywnych czarnych dziur reguły mogą być bardzo różne. Tak czy inaczej, jeśli testy wykażą, że model Tillroya rzeczywiście odzwierciedla rzeczywistość, a grawitacja jest rzeczywiście konsekwencją fluktuacji kwantowych, to pozwoli to fizykom zrozumieć otaczającą nas rzeczywistość na jakościowo innym poziomie.
Wasilij Makarow