В физике существует фундаментальная проблема, которая не решена уже почти столетие: квантовая теория и теория относительности несовместимы между собой. Это противоречие было замечено учеными еще в 1930-х годах, но до сих пор не найдено удовлетворительного решения. Доктор Вольфганг Виланд из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU) предложил новый подход к примирению этих теорий в своей работе, опубликованной в журнале Classical and Quantum Gravity.
Современная физика описывает четыре фундаментальные силы природы. Гравитация объясняется общей теорией относительности, в то время как электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия успешно описываются квантовой теорией. Проблема заключается в том, что общая теория относительности прекрасно работает для больших масс, а квантовая теория – для очень маленьких объектов, но существуют явления, требующие объединения обоих подходов.
Такими явлениями являются, например, Большой взрыв и черные дыры. В черных дырах, согласно общей теории относительности, вся материя объединяется в одной крошечной точке. Это создает серьезную проблему для нашего понимания причинности – фундаментального принципа, определяющего отношения между причиной и следствием.
Квантовая механика предполагает, что причины всегда находятся в прошлом, а следствия – в будущем. Однако общая теория относительности утверждает, что большие массы искривляют пространство-время. В черных дырах это искривление настолько экстремально, что понятия «до» и «после» теряют смысл, что разрушает наше понимание причинности.
Еще одна сложность заключается в квантовании гравитации. В квантовой теории энергия приходит дискретными порциями (квантами), и наблюдаемые величины, такие как энергия или угловой момент, принимают дискретные значения, а не непрерывные. Электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия успешно «квантованы», но гравитацию невозможно просто разбить на кванты.
Подход Виланда предлагает рассматривать само пространство-время как квантованное, а не непрерывное. В таком квантованном пространстве-времени объекты могут двигаться только фиксированными шагами, а не на произвольные расстояния, и время также прогрессирует шагами, а не непрерывно. Эти шаги чрезвычайно малы в макроскопическом мире, что объясняет, почему мы воспринимаем пространство и время как непрерывные.
Важную роль в этой теории играют планковские единицы – фундаментальная система единиц, предложенная Максом Планком. Они построены на основе скорости света, естественных констант гравитации и квантовой теории. Из этих единиц можно вычислить планковскую мощность.
Согласно современным представлениям, мощность (энергия, излучаемая в единицу времени) может быть бесконечной, что делает некоторые уравнения квантовой гравитации неразрешимыми. Однако Виланд обнаружил, что в квантованном пространстве-времени существует верхний предел мощности, равный планковской мощности – примерно 10^53 ватт. Подобно скорости света, этот предел не может быть превышен.
Если теория Виланда верна, мощность гравитационных волн может быть разбита на кванты, что может помочь решить проблему квантовой гравитации. Его проект Гейзенберга также будет исследовать, как гравитация влияет на причинную структуру пространства-времени.
Открытие предела мощности может стать ключевым шагом к созданию единой теории, объединяющей квантовую механику и общую теорию относительности – святого Грааля современной теоретической физики, к которому ученые стремятся уже почти сто лет.
Изображение носит иллюстративный характер
Современная физика описывает четыре фундаментальные силы природы. Гравитация объясняется общей теорией относительности, в то время как электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия успешно описываются квантовой теорией. Проблема заключается в том, что общая теория относительности прекрасно работает для больших масс, а квантовая теория – для очень маленьких объектов, но существуют явления, требующие объединения обоих подходов.
Такими явлениями являются, например, Большой взрыв и черные дыры. В черных дырах, согласно общей теории относительности, вся материя объединяется в одной крошечной точке. Это создает серьезную проблему для нашего понимания причинности – фундаментального принципа, определяющего отношения между причиной и следствием.
Квантовая механика предполагает, что причины всегда находятся в прошлом, а следствия – в будущем. Однако общая теория относительности утверждает, что большие массы искривляют пространство-время. В черных дырах это искривление настолько экстремально, что понятия «до» и «после» теряют смысл, что разрушает наше понимание причинности.
Еще одна сложность заключается в квантовании гравитации. В квантовой теории энергия приходит дискретными порциями (квантами), и наблюдаемые величины, такие как энергия или угловой момент, принимают дискретные значения, а не непрерывные. Электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия успешно «квантованы», но гравитацию невозможно просто разбить на кванты.
Подход Виланда предлагает рассматривать само пространство-время как квантованное, а не непрерывное. В таком квантованном пространстве-времени объекты могут двигаться только фиксированными шагами, а не на произвольные расстояния, и время также прогрессирует шагами, а не непрерывно. Эти шаги чрезвычайно малы в макроскопическом мире, что объясняет, почему мы воспринимаем пространство и время как непрерывные.
Важную роль в этой теории играют планковские единицы – фундаментальная система единиц, предложенная Максом Планком. Они построены на основе скорости света, естественных констант гравитации и квантовой теории. Из этих единиц можно вычислить планковскую мощность.
Согласно современным представлениям, мощность (энергия, излучаемая в единицу времени) может быть бесконечной, что делает некоторые уравнения квантовой гравитации неразрешимыми. Однако Виланд обнаружил, что в квантованном пространстве-времени существует верхний предел мощности, равный планковской мощности – примерно 10^53 ватт. Подобно скорости света, этот предел не может быть превышен.
Если теория Виланда верна, мощность гравитационных волн может быть разбита на кванты, что может помочь решить проблему квантовой гравитации. Его проект Гейзенберга также будет исследовать, как гравитация влияет на причинную структуру пространства-времени.
Открытие предела мощности может стать ключевым шагом к созданию единой теории, объединяющей квантовую механику и общую теорию относительности – святого Грааля современной теоретической физики, к которому ученые стремятся уже почти сто лет.
