Признаки квантовой гравитации могут быть иллюзией: новая теория переосмысляет экспериментальные данные

Две фундаментальные теории объясняют почти всё, что мы наблюдаем во Вселенной: квантовая механика описывает поведение материи на очень малых масштабах, а теория гравитации Эйнштейна объясняет движение звёзд, чёрных дыр и расширение Вселенной. Однако эти две теории до сих пор не согласуются друг с другом, и физики десятилетиями ищут теорию квантовой гравитации, которая объединила бы их в одно согласованное описание природы.

Почему гравитация и квантовая механика не совпадают

Центральное предположение состоит в том, что сама гравитация должна подчиняться правилам квантовой механики. Квантовая механика позволяет объекту находиться в суперпозиции — быть делокализованным в нескольких местах одновременно. Это явление неоднократно демонстрировалось на атомах и даже на небольших кусках металла. Теория Эйнштейна, напротив, рассматривает гравитацию как свойство самого пространства-времени — оно может изгибаться, деформироваться и поддерживать волны, проходящие через него, что подтверждено детекторами гравитационных волн.

Из-за этого многие физики предполагали, что пространство-время вокруг квантового объекта также может одновременно находиться в нескольких состояниях.

Новая теоретическая рамка

Исследователи из Университета Кюсю, Университета Ватерлоо и Стокгольмского университета разработали теоретическую базу, которая показывает: многие ситуации, описываемые как квантовая суперпозиция гравитации, можно интерпретировать совершенно иначе. Результаты опубликованы в журнале npj Quantum Information.

Согласно их выводам, квантовые частицы могут оставаться в суперпозициях, движась через обычную гравитацию и пространство-время. При таком описании не требуется никакого подлинно квантового поведения самой гравитации.

Концепция относительности суперпозиций пространства-времени

Команда назвала эту идею «Относительностью суперпозиций пространства-времени». Один из способов представить это — вспомнить две карты одного ландшафта, использующие разные проекции. Карты могут выглядеть по-разному, но обе описывают один и тот же рельеф. Аналогично, исследователи обнаружили, что некоторые ситуации, которые выглядят как включающие квантовую гравитацию, можно выразить, используя классическую гравитацию и пространство-время, если движение каждой частицы представлено с соответствующим квантовым состоянием.

Что это означает для экспериментов

Результаты не доказывают, что гравитация классична, и не исключают квантовую гравитацию. Вместо этого они выявляют важную неоднозначность в том, как интерпретировать эксперименты, разработанные для исследования квантовых свойств гравитации. Наблюдение, которое выглядит как доказательство квантовой гравитации, в некоторых случаях может быть объяснено без необходимости квантового поведения самой гравитации.

По словам Магдалены Зых из Стокгольмского университета, соавтора статьи, исследование помогает определить, какие экспериментальные сигнатуры действительно требуют квантового описания гравитации, а какие могут возникнуть из более знакомой физики. Это различие критически важно для разработки будущих экспериментов.

Путь к новым экспериментам

Хотя работа касается фундаментальных вопросов физики, исторически исследования базовых законов природы приносили значительные практические результаты. GPS-навигация, лазеры и современная электроника возникли благодаря достижениям в теоретической квантовой физике и теории гравитации Эйнштейна.

Более непосредственное влияние новой теоретической рамки состоит в том, что она даёт физикам более чёткую дорожную карту для будущих экспериментов. Показывая, какие наблюдения могут действительно различить классическое описание гравитации от квантового, исследование помогает сузить поиск убедительных доказательств квантовой гравитации.