Lov kolísání časoprostoru by mohl sjednotit Einsteina a kvantovou fyziku

Jednotná teorie všeho je svatým grálem fyziky, ale gravitace odmítá hrát míč. Nyní se nově navržená teorie pokouší sjednotit Einsteinovu teorii gravitace s kvantovou mechanikou – a co je důležité, nastiňuje způsob, jak ji experimentálně otestovat.

Během zhruba minulého století odvedla kvantová fyzika vynikající práci při popisu světa částic a atomů v mikroměřítku. Zahrnuje tři ze čtyř základních sil vesmíru – elektromagnetismus a silné a slabé jaderné síly. Ale navzdory tomu, že se s nimi potýkají některé z nejbystřejších mozků všech dob, vědci prostě nemohou zavést čtvrtý pilíř: gravitaci.

Zatím nejpřesnějším modelem popisujícím gravitaci je stále Einsteinova teorie obecné relativity. Uvádí, že gravitace, jak ji cítíme a pozorujeme, je jakýmsi vedlejším efektem struktury časoprostoru a hmot, které na ní spočívají. Představte si to jako podložku na trampolínu, na které sedí bowlingová koule – váha koule vytváří podložku ponořením. Venku ve vesmíru je „podložka“ časoprostor a „bowlingová koule“ je masivní objekt podobný hvězdě. Pokud pak na podložku položíte menší míček, bude se kutálet po propadu směrem k většímu, podobně jako zažíváme gravitaci. Nebo, pokud koulíte tenisovým míčkem dostatečnou rychlostí, bude kroužit po ponoru podobně jako Země obíhající kolem Slunce.

ESA–C.Carreau

Tato teorie gravitace přežila v podstatě všechny testy, které ji vědci za posledních 100 let provedli. Ve skutečnosti nové objevy stále potvrzují jeho předpovědi, jako je detekce gravitačních vln v roce 2015.

Problém je, že tento příběh si nehraje dobře s ostatními třemi základními silami. Každá z nich může být docela úhledně popsána pomocí kvantové mechaniky s interakcemi zprostředkovanými specifickými částicemi nosiče síly. Například fotony jsou částicemi nosiče elektromagnetické síly. Vědci se proto zabývali teoriemi „kvantové gravitace“ a hledali její hypotetickou nosnou částici, nazývanou „graviton“, ale všechny experimenty zatím vyšly naprázdno.

Samotný prostoročas by také musel být „kvantován“ nebo rozložen na jednotlivé části. O to se pokouší notoricky známá teorie strun, stejně jako smyčková kvantová gravitace, která je v současnosti považována za průkopníka. Ale opět se zdá, že ani jeden z těchto pojmů zcela nezapadá tak dobře jako Einsteinova teorie.

Nová studie jde opačným směrem – profesor Jonathan Oppenheim z University College London (UCL) navrhuje, aby se časoprostor přece jen řídil klasickou fyzikou a místo toho je třeba upravit kvantovou teorii. Říká tomu „postkvantová teorie klasické gravitace“.

Oppenheim v podstatě spojuje klasické a kvantové systémy dohromady způsobem, který zachovává každý systém. Takže například klasický systém stále brání signalizaci rychleji než světlo, zatímco princip neurčitosti zůstává v kvantovém systému neporušen. Einstein měl rád, když bylo všechno deterministické – to znamená, že pokud jste měli dostatek informací o systému, mohli byste vzít jeho současný stav a zjistit jakýkoli konkrétní stav v jeho minulosti nebo budoucnosti. Oppenheimova hybridní teorie takto nefunguje – místo toho můžete pouze zjistit pravděpodobnost výskytu určitého stavu v budoucnosti.

Tato teorie předpovídá některé zajímavé věci, které by mohly u mnoha fyziků vzbudit problémy. Zjistilo se například, že černé díry mohou zničit kvantové informace – něco, co je podle kvantové teorie považováno za nemožné a některým to může stačit k tomu, aby celou teorii rovnou odmítli.

Isaac Young

Ale co je důležité, existují způsoby, jak tuto postkvantovou teorii klasické gravitace otestovat. Pokud je časoprostor klasický, měl by podléhat náhodným fluktuacím, které by mohly v průběhu času měnit hmotnost objektů o nepatrná množství. Jeden experiment, který tým navrhuje, je, že velmi přesné měření objektu – jako je Mezinárodní prototyp kilogramu – by mohlo odhalit, zda je časoprostor klasický nebo kvantový.

„V kvantové gravitaci i klasické gravitaci musí prostoročas podléhat prudkým a náhodným fluktuacím všude kolem nás, ale v měřítku, které jsme dosud nebyli schopni detekovat,“ řekl Zach Weller-Davies, spoluautor studie. „Pokud je ale časoprostor klasický, fluktuace musí být větší než určité měřítko a toto měřítko lze určit dalším experimentem, kde testujeme, jak dlouho můžeme umístit těžký atom do superpozice, aby byl na dvou různých místech.“

Je pravděpodobné, že nová teorie nebude hned široce přijata, pokud vůbec někdy, ale poskytuje přinejmenším zajímavý nový způsob uvažování o gravitaci a časoprostoru. Tyto experimenty by to mohly rychle vyloučit a poslat to, aby se připojily k obřímu hřbitovu nepředvídatelných vědeckých nápadů, které hyzdí historii – nebo by se to mohlo ukázat jako stejně zásadní jako Einsteinovy ​​teorie.

Výzkum byl publikován ve dvou článcích, z nichž jeden se objevil v Fyzický přehled X a druhý dovnitř Příroda komunikace.

Zdroje: UCL, American Physical Society