Ученые хотят искривить пространство-время в лаборатории
Все обсуждения квантовой физики так или иначе сводятся к квантовой теории поля. В ее основе лежит общая идея о том, что квантовые частицы представляют собой локализованные возбужденные состояния общего квантового поля - сложная, но математически полезная идея, которая до невозможности сложно взаимодействует с классическим представлением пространства-времени Эйнштейна. Гравитация, как гласит теория, является результатом кривизны невыразимой среды пространства-времени, и современная квантовая физика гласит, что искривленное пространство-время должно влиять на поведение гипотетического квантового поля.
Точное понимание их взаимодействия остается одним из самых сложных вопросов в физике, этакий святой Грааль. Кроме того, крайне сложно изучать это взаимодействие в лаборатории. Но физики хотят исправить это досадное недоразумение, как сообщает ExtremeTech.
Искривить пространство-время искусственным путем крайне трудно. В классическом понимании это сделать довольно просто - достаточно собрать в одном месте много массы - но для построения кривой, которой будет достаточно для измерения эффектов каждой квантовой частицы, понадобится плотность, которую можно найти только рядом с черной дырой (в теории). Искривление пространства-времени с помощью магнитных полей или экзотической материи тоже предлагалось, например, NASA - но такая технология позволить буквально создать варп-двигатель, если его вообще возможно создать. Вместо того чтобы выяснять, как еще можно изогнуть пространство-время, немецкий ученый Никодим Шпак, похоже, нашел лазейку, которая позволить изучать эффекты искривленного пространства-времени, собственно, не искривляя его.
Чтобы продолжить чтение, вам нужно получить степень по высшей математике или просто поверить в следующее заявление: сверххолодные атомы (и поскольку тепло - это всего лишь движение атомов, наши атомы будут сверхстационарными), попадая в особую оптическую решетку (лазерное поле), демонстрируют особое поведение, которое можно связать с движением квантовых частиц в пространстве-времени. Фраза получилась весьма большой, поэтому давайте разобьем ее на части.
Во-первых, атомы и решетка. Эта техника использует несколько лазеров для создания сложной интерференционной картины с определенными пиками и впадинами - районами с высокой или низкой интенсивностью энергии. Сверххолодные атомы (охлажденные до возможного максимума), разумеется, попадают во впадины по законам термодинамики, и поскольку они сверхстационарны, квантовая механика подсказывает, что они должны быть в состоянии «туннелировать» с места на место. Атомы должны быть охлаждены максимально, поэтому все их возможные движения могут объясняться только этим туннелирующим эффектом. Если это так, общий механизм движения через решетку может быть представлен взаимодействием квантового поля и пространства-времени.
На самом деле, единственное, что нужно здесь понять, это то, что создавая решетку из особых пиков и впадин, по которым могут двигаться атомы, ученые могут изменять значения своей метафоры пространства-времени. Одна решетка может имитировать взаимодействие квантового поля с плоским пространством-временем (которое технически не существует, но может быть теоретически в глубоком-глубоком космосе, далеко от любых крупных масс), другая может имитировать серьезно искривленное пространство вроде точки рядом с поверхностью звезды.
Возможные последствия этого исследования весьма прозаичны, во всяком случае, в краткосрочной перспективе. Это один из тех прорывов, на которых далеко не уедешь, но который может открыть дорожки к новым сферам исследований. Возможность изучать взаимодействие квантовой теории поля и общей теории относительности (в частности, ее следствием - гравитацией), даже косвенно, может впоследствии привести к созданию великой теории всего.
Используя метафору кривизны пространства-времени, а не изменяя эту кривизну саму по себе, ученые могли бы дать в будущем ученым способ сымитировать состояние пространства-времени на горизонте событий черной дыры или во время первых моментов после Большого Взрыва. Все, что будет нужно, это правильная интерференционная картина, которая позволит контролировать распределение наиболее вероятных туннельных впадин. Медленно изменяя интерференционную картину с течением времени, ученые даже смогут увидеть последствия непрерывных изменений в этом пространстве-времени - вроде расширения вселенной после Большого Взрыва.
Нет никакой возможности спрогнозировать, как физики смогут применить эти наработки, но пока план выглядит весьма неплохим. Взаимодействие между квантовыми явлениями и общей теорией относительности - это работа для нобелевских лауреатов будущего, это самая современная физика самого высокого уровня. Станет ли эта работа фундаментов для будущих теорий великого объединения? Возможно. Как минимум, она немного прояснит, как связать квантовую и релятивистскую физику. Хотя бы немного.