|
Понимание квантовой гравитации в пяти измерениях
|
|
|
|
Квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна - два величайших достижения современной физики. Каждая из них очень хорошо работает в своей области: квантовая теория объясняет, как ведут себя атомы и частицы, в то время как общая теория относительности описывает гравитацию и структуру пространства-времени. Однако, несмотря на многие десятилетия усилий, у ученых до сих пор нет удовлетворительной теории, которая объединяла бы оба эти подхода в единую четкую картину реальности.
|
|
|
|
Большинство распространенных подходов предполагают, что гравитацию также необходимо описывать с помощью квантовых идей. Как однажды сказал физик Ричард Фейнман, "У нас будут проблемы, если мы будем верить в квантовую механику, но не будем квантовать гравитацию". Однако сама квантовая теория имеет серьезные нерешенные проблемы. В нем неясно объясняется, как измерения приводят к определенным результатам, и он опирается на странные идеи, которые вступают в противоречие с повседневным опытом, например, объекты, которые, по-видимому, ведут себя как волны и частицы, и очевидные нелокальные связи между удаленными системами.
|
|
|
|
Эти загадки становятся еще более острыми благодаря теореме Белла. Эта теорема показывает, что ни одна теория, основанная на обычных идеях, таких как локальность, объективная реальность и свободно выбранные измерения, не может полностью соответствовать предсказаниям квантовой теории в рамках нашего обычного четырехмерного представления о пространстве и времени. Эти квантовые предсказания неоднократно подтверждались в тестах на запутанность, впервые рассмотренных Эйнштейном, Подольским и Розеном (ЭПР). В результате простые классические объяснения, ограниченные обычным четырехмерным пространством-временем, не могут полностью объяснить то, что мы наблюдаем.
|
|
|
|
|
|
|
Эти серьезные концептуальные проблемы поднимают фундаментальный вопрос: действительно ли квантовые эксперименты открывают причудливую вселенную, или они предполагают, что мы интерпретируем их с неправильной точки зрения?
|
|
|
|
В недавней работе, опубликованной в журнале Scientific Reports, я исследую другой взгляд на квантовую физику и гравитацию. Вместо того чтобы пытаться сделать гравитацию квантовой, я предполагаю, что и квантовые эффекты, и гравитация могут возникать из более глубокой классической структуры, существующей более чем в четырех измерениях.
|
|
|
|
Моя мотивация проста: если теорема Белла говорит нам, что интуитивные, классические объяснения квантовых эффектов не могут работать в рамках обычного четырехмерного пространства и времени, то, возможно, проблема кроется в самом пространстве-времени. Поэтому я расширяю пространство-время, добавляя пятое измерение, которое действует как параметр эволюции. Это позволяет привычному четырехмерному пространству-времени эволюционировать по-новому и открывает новые возможности для объяснения как квантового поведения, так и гравитации с использованием классических идей.
|
|
|
|
Основная идея теории заключается в том, что частицы изначально не являются фиксированными объектами. Вместо этого они построены из траекторий, называемых "мировыми линиями", которые постепенно формируются по мере увеличения этого дополнительного параметра. Хотя поначалу эти мировые линии могут демонстрировать различную динамику, по мере эволюции они постепенно "замыкаются", пока не возникнет стабильный классический мир — мир, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни. Эта динамика имеет решающее значение для получения странных результатов квантовой механики с точки зрения наблюдателя. Однако в более глубокой пятимерной картине лежащие в ее основе процессы остаются полностью классическими.
|
|
|
|
Чтобы проиллюстрировать эти концепции, я построю теоретические модели, которые воспроизводят два известных квантовых эксперимента в рамках предложенной структуры. Корреляции типа ЭПР возникают из-за того, что теперь влияния могут распространяться вдоль мировых линий в зависимости от дополнительного параметра эволюции. Хотя сами частицы никогда не превышают скорость света, наблюдателям эти эффекты могут казаться почти мгновенными. Кроме того, в модели для эксперимента с двойной щелью одна частица описывается множеством взаимодействующих мировых линий. Вместе они создают волнообразные узоры, в то время как единственная мировая линия, которая достигает детектора, дает результат, похожий на частицы.
|
|
|
|
Гравитация также может быть включена. Гравитационные эффекты возникают в результате постепенного ослабления гравитационного потенциала в режиме слабой гравитации или, в более общем плане, искривления пространства-времени по отношению к дополнительному параметру эволюции. Поскольку и материя, и гравитация развиваются постепенно в прямом направлении времени, теория также предлагает естественное объяснение того, почему время, по-видимому, течет в одном направлении.
|
|
|
|
Что меня больше всего удивляет, так это то, что ключевые квантовые явления, такие как запутанность и двухщелевая интерференция, могут быть объяснены таким ясным, классическим способом в рамках этой пятимерной теории. Такое интуитивное понимание квантовых явлений обычно считается невозможным в рамках стандартных квантовых структур. Поскольку основные аспекты гравитации также вписываются в те же рамки, этот подход может указать на новый путь к квантовой гравитации.
|
|
|
|
Теория разработана для того, чтобы избежать давних проблем в квантовой физике, таких как проблема измерения и необходимость в таких идеях, как одновременное нахождение объектов во многих состояниях или мгновенное воздействие друг на друга на расстоянии. Поэтому, следуя "бритве Оккама", я утверждаю, что такое четкое классическое пятимерное описание реальности может быть предпочтительнее теорий квантовой гравитации, которые полностью отказываются от интуитивного понимания.
|
|
|
|
Важно отметить, что эта теория не просто философская. Она дает проверяемые предсказания, которые отличаются от предсказаний, основанных на стандартных подходах к квантовой гравитации. Например, такие эффекты, как гравитационная запутанность, часто ожидаемые, если гравитация сама по себе является квантовой, не возникают в рамках этой теории. Теория также предполагает, что информация о том, какой путь проходит частица в эксперименте с двумя щелями, в принципе может быть получена с помощью гравитационных измерений без нарушения интерференционной картины. Эти различия открывают широкие возможности для будущих экспериментальных испытаний.
|
|
|
|
Таким образом, новая теория предполагает, что и квантовые эффекты, и гравитация могут быть объяснены единым классическим способом, если мы захотим выйти за рамки представления о том, что реальность ограничена четырьмя измерениями пространства и времени. С этой точки зрения, странное поведение квантовой физики может быть не свойством самой природы, а скорее результатом нашего ограниченного взгляда на более глубокую, многомерную классическую реальность.
|
|
|
|
В настоящее время эта теория является лишь первым шагом. Необходима дальнейшая работа, чтобы понять, может ли она полностью воспроизвести успехи квантовой теории, включая стандартную модель физики элементарных частиц, и остается ли она актуальной в экстремальных условиях, таких как черные дыры. Если это произойдет, то такой подход может открыть новое направление в поисках теории квантовой гравитации.
|
|
|
|
Источник
|
