Квантова гравитация в пет измерения

/КРОСС/ Квантовата теория и Общата теория на относителността на Айнщайн са два от най-големите успехи в съвременната физика. Всяка от тях работи изключително добре в своята област: квантовата теория обяснява как се държат атомите и частиците, докато Общата теория на относителността описва гравитацията и структурата на пространство-времето. Въпреки многото десетилетия усилия обаче, учените все още нямат задоволителна теория, която да съчетава и двете в една ясна картина на реалността.

Повечето често срещани подходи предполагат, че гравитацията трябва да бъде описана и с помощта на квантови идеи. Според физика Ричард Файнман не може "да вярваме в квантовата механика, но да не квантуваме гравитацията."

Самата квантова теория обаче има дълбоки нерешени проблеми. Тя не обяснява ясно как измерванията водят до определени резултати и се основава на странни идеи, които се сблъскват с ежедневния опит, като например обекти, които привидно се държат едновременно като вълни и частици, и очевидни нелокални връзки между отдалечени системи.

Тези загадки стават още по-остри заради теоремата на Бел. Тази теорема показва, че никоя теория, основана на идеи като локалност, обективна реалност и свободно избрани измервания не може напълно да съответства на предсказанията на квантовата теория в рамките на нашия обичаен четириизмерен поглед върху пространството и времето. Тези квантови предсказания са многократно потвърждавани в тестове за вплитане, обсъдени за първи път от Айнщайн, Подолски и Розен (EPR). В резултат на това прости класически обяснения, ограничени до обикновеното четириизмерно пространство-време, не могат напълно да обяснят това, което наблюдаваме.

Парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен

Парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен от 1935 г. е мисловен експеримент, в който вплетени частици в квантова суперпозиция (използвайки езика на съвременната квантова механика) пътуват до пространствено разделени наблюдатели Алис и Боб. Те правят измервания на едно и също наблюдаемо свойство на своите частици. Тъй като те са суперпозиционни състояния, резултатът от нито едно от измерванията не е сигурен, преди да бъде направено. Въпреки това, веднага щом Алис измерва състоянието, суперпозицията се разпада и измерването на Боб вече е фиксирано.

Тези сериозни концептуални проблеми повдигат фундаментален въпрос: Дали квантовите експерименти наистина разкриват странна вселена или предполагат, че ги интерпретираме от грешна гледна точка?

Схематична илюстрация на динамичната еволюция на четириизмерното пространство-време като функция на допълнителен еволюционен параметър

Схематична илюстрация на динамичната еволюция на четириизмерното пространство-време като функция на допълнителен еволюционен параметър. Световните линии на частиците се самоорганизират по посока на движението на времето напред и показват разнообразна динамика, докато гравитацията - генерирана от тези световни линии - еволюира съответно, преди да се установи в равновесие. Тази динамика е от съществено значение за едновременното възпроизвеждане на квантови и гравитационни явления по фундаментално класически начин в рамките на петизмерна рамка. Кредит: Filip Strubbe

Класическа теория отвъд четирите измерения

В скорошна работа, публикувана в Scientific Reports, проф. Филип Струбе (Filip Strubbe) от Университета в Гент, Белгия, изследва различен начин на мислене за квантовата физика и гравитацията. Вместо да се опитва да направи гравитацията квантова, предлага, че както квантовите ефекти, така и гравитацията могат да възникнат от по-дълбока, класическа структура, която съществува в повече от четири измерения.

Той разсъждава така: Ако неравенството на Бел ни казва, че интуитивните, класически обяснения на квантовите ефекти не могат да работят в рамките на обикновеното четириизмерно пространство и време, тогава може би проблемът се крие в самото пространство-време.

Затова разширява пространство-времето, добавяйки пето измерение, което действа като параметър на еволюцията. Това позволява на познатото четириизмерно пространство-време да еволюира по нов начин и отваря нови възможности за обяснение както на квантовото поведение, така и на гравитацията, използвайки класически идеи.

Централна идея на теорията е, че частиците не са фиксирани обекти от самото начало, а са изградени от пътища, наречени "световни линии", които постепенно се формират с напредването на този допълнителен параметър.

Въпреки че тези световни линии първоначално могат да показват разнообразна динамика, те бавно се "заключват" с напредването на еволюцията, докато се появи стабилен, класически свят - светът, който преживяваме в ежедневието. Тази динамика е от решаващо значение за получаването на странните резултати от квантовата механика от гледна точка на наблюдател. В по-дълбоката петизмерна картина обаче, основните процеси остават изцяло класически.

За да илюстрира тези концепции, Струбе конструира теоретични модели, които възпроизвеждат два известни квантови експеримента в предложената рамка.

Корелации от типа EPR възникват, защото вече е позволено на влиянията да се разпространяват по световните линии като функции на допълнителния параметър на еволюция. Въпреки че самите частици никога не превишават скоростта на светлината, тези ефекти могат да изглеждат почти мигновени за наблюдателите. Освен това, в модел за експеримента с двойния процеп, една частица се описва от много взаимодействащи световни линии. Заедно те създават вълнообразни модели, докато единичната световна линия, която достига до детектора, дава подобен на частица резултат.

Може да се включи и гравитацията. Гравитационните ефекти възникват чрез постепенната релаксация на гравитационния потенциал в режим на слаба гравитация или по-общо на кривината на пространство-времето по отношение на допълнителния параметър на еволюция. Тъй като както материята, така и гравитацията се развиват постепенно в посока на времето, теорията предлага и естествено обяснение защо времето сякаш тече в една посока.

Последици и прогнози

Професор Струбе намира за най-изненадващо, че ключови квантови явления, като например вплитането и интерференцията на двойните процепи, могат да бъдат обяснени по толкова ясен, подобен на класическия начин в рамките на тази петизмерна теория. Подобно интуитивно разбиране на квантовите явления обикновено се смята за невъзможно в рамките на стандартните квантови рамки. Тъй като основните аспекти на гравитацията също се вписват в същата рамка, този подход може да насочи към нов път към квантовата гравитация.

"Теорията е предназначена да избегне дългогодишни проблеми в квантовата физика, като например проблемът с измерването и необходимостта от идеи като обекти, намиращи се в много състояния едновременно или влияещи си мигновено един на друг от разстояние. Следователно, следвайки Бръснача на Окам, аз твърдя, че такова ясно петизмерно класическо описание на реалността може да е за предпочитане пред теориите за квантовата гравитация, които напълно изоставят интуитивното разбиране", отбелязва проф. Струбе.

Най-важното е, че теорията не е просто философски умозаключения.

Тя прави проверими прогнози, които се различават от тези на стандартните подходи за квантова гравитация. Например ефекти като индуцирано от гравитацията вплитане - често очаквани, ако самата гравитация е квантова - не възникват в тази рамка. Теорията също така предполага, че информация за това кой път поема частицата в експеримента с двойния процеп би могла по принцип да бъде получена чрез гравитационни измервания, без да се разрушава интерферентната картина. Тези разлики предлагат ясни възможности за бъдещи експериментални тестове, казва проф. Струбе.

Заключения и бъдещи насоки

В обобщение, новата теория предполага, че както квантовите ефекти, така и гравитацията могат да бъдат обяснени по един-единствен, класически подобен начин, ако сме готови да преминем отвъд идеята, че реалността е ограничена до четири измерения на пространството и времето. От тази гледна точка, странното поведение на квантовата физика може да не е свойство на самата природа, а по-скоро резултат от ограничената ни перспектива върху по-дълбока, по-високомерна класическа реалност.

В момента теорията е само първа стъпка. Необходима е по-нататъшна работа, за да се види дали тя може напълно да възпроизведе успехите на квантовата теория, включително Стандартния модел на физиката на елементарните частици, и дали остава валидна в екстремни условия, като например черните дупки. Ако е така, този подход би могъл да отвори нова посока в търсенето на теория за квантовата гравитация.