Парадокс Вселенной: почему измерения квантовых величин нашего мира не дают результатов

Общая теория относительности — это теория гравитации, которая описывает гравитационные взаимодействия в крупномасштабной физической Вселенной. Ее можно использовать для предсказаний разного рода событий. Общая теория относительности предсказала, например, гравитационные волны и некоторое особенности черных дыр.

Пространство-время в рамках теории относительности следует тому, что мы называем принципом локальности, то есть на объекты непосредственно влияет их окружение в масштабах пространства и времени.

В квантовой же сфере — на атомном и субатомном уровнях — общая теория относительности не работает, и там бал правит квантовая механика. Ничто в квантовой сфере не происходит в определенном месте или в определенное время, пока не будет измерено, а части квантовой системы, даже разделенные пространством или временем, все еще могут взаимодействовать друг с другом, — явление, известное как «нелокальность».

Каким-то образом, несмотря на свои различия, общая теория относительности и квантовая механика существуют и взаимодействуют. Но устранение различий и создание связующих принципов между ними оказалось чрезвычайно трудной задачей, с которой физики пока не справились.

Здесь в игру вступает голометр в Фермилабе — проект, возглавляемый астрономом и физиком Крейгом Хоганом из Чикагского университета. Это прибор, предназначенный для обнаружения квантовых флуктуаций пространства-времени в минимально возможных единицах — планковской длине 10^-33 сантиметра и планковском времени — времени, которое требуется свету, чтобы пройти планковскую длину.

Он состоит из двух идентичных 40-метровых интерферометров, которые пересекаются в светоделителе. Лазер направляется на разделитель и вниз, к двум зеркалам, чтобы отразиться обратно в разделитель луча для рекомбинации. Любые флуктуации в масштабе Планка будут означать, что возвращаемый луч отличается от луча, который был испущен изначально.

Несколько лет назад голометр обнаружил нулевое квантовое дрожание в пространстве-времени. Это предполагает, что само пространство-время в том виде, в каком мы можем его в настоящее время измерить, не является «квантовым», то есть не может быть разбито на дискретные, неделимые единицы или кванты.

Поскольку плечи интерферометра были прямыми, он не мог обнаруживать другие виды колебательного движения, например, если бы колебания были вращательными. И это играет очень важную роль. «В общей теории относительности вращающаяся материя увлекает за собой пространство-время. В присутствии вращающейся массы местная невращающаяся система, измеряемая гироскопом, вращается относительно далекой Вселенной, измеряемой далекими звездами», — пишет Хоган на сайте Фермилаб.

«Вполне возможно, что квантовое пространство-время имеет неопределенность планковского масштаба в локальной системе отсчета, которая приведет к случайным вращательным флуктуациям или поворотам, которые мы не обнаружили бы в нашем первом эксперименте, и которые слишком малы, чтобы их можно было обнаружить в нормальных условиях с помощью гироскопа», — заключил он.

Итак, команда переработала инструмент. Ученые добавили дополнительные зеркала, чтобы они могли обнаруживать также и любое вращательное квантовое движение. Результатом стал невероятно чувствительный гироскоп, который может засекать вращательные повороты в масштабе Планка, меняющие направление миллион раз в секунду!

За пять сеансов наблюдений, с апреля 2017 года по август 2019 года, команда собрала 1098 часов данных — временных рядов с двойным интерферометром. За все это время не было ни единого покачивания. Насколько нам известно, пространство-время по-прежнему является континуумом.

Но это не значит, что голометр, как полагают некоторые ученые, сам по себе пустая трата времени. Другого подобного инструмента в мире попросту не существует. Результаты, которые он возвращает — нулевые или нет — будут определять будущие усилия по исследованию пересечения теории относительности и квантовой механики на планковских масштабах.

«Возможно, мы никогда не поймем, как работает квантовое пространство-время, без каких-либо измерений в самой теории, которой сейчас руководствуемся», — предположил Хоган. «Программа Holometer является исследовательской. Наш эксперимент начался только с грубых теорий, которые легли в основу его разработки, и у нас до сих пор нет уникального способа интерпретировать итоговые нулевые результаты, поскольку в мире попросту нет строгой теории касательно того, что мы ищем».

Что ж, нам остается надеяться, что в будущем оборудование станет достаточно чувствительным, а теориии – достаточно гибкими и разноплановыми, чтобы граница между «классической» и квантовой физике начала понемногу истончаться.