Як розгадати загадку простору-часу: шість експериментів, які можуть дати відповідь
Що залишиться, якщо вичистити весь Всесвіт від матерії та енергії? Основна структура космосу називається простір-час, і його часто порівнюють із тканиною. Але “тканина простору-часу – це термін із наукової фантастики”, каже Джонатан Оппенхайм, фізик з University College London. Немає єдиної думки про те, що він насправді означає.
У класичній фізиці, а саме в загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна, тканина простору-часу не існує сама по собі. Натомість простір-час переплетений із масою та енергією і формується ними, породжуючи гравітацію. Найголовніше, що рівняння Ейнштейна безперервні, тож у класичному уявленні тканина має бути гладкою.
Але сьогодні більшість фізиків вважають, що простір-час має підкорятися законам квантової механіки, які визначають поведінку субатомних частинок і полів. У такому разі він може бути розбитий на окремі шматочки або квантований. Це означало б, що хоча простір-час здається гладким тлом, на якому розігрується все у Всесвіті, якби ви могли наблизитися досить близько, ви б побачили, що він насправді складається з чогось, як і все інше.
Проблема в тому, що у нас, як і раніше, немає доказів того, що простір-час квантований. Складно довести це однозначно, тому щось, що ви можете уявити собі як “пікселі” простору-часу – його найфундаментальніші складові – були б настільки крихітними, що безпосередньо спостерігати їх було б неможливо. Залишаються непрямі спостереження. Хороша новина в тому, що фізики вигадали низку винахідливих експериментів, які могли б нарешті вирішити питання про те, з чого складається простір-час, (якщо все-таки складається) раз і назавжди.
Повільні нейтрино
Коли нейтрино – одні з найбільш невловимих елементарних частинок – проходять через простір-час, вони можуть змінювати свій тип або “аромат”. Це явище називається осциляцією нейтрино і пояснюється тим, що в кожного аромату є своя маса. Нейтрино не мають певної маси; натомість вони є суперпозицією трьох станів маси. Коли нейтрино рухаються в просторі-часі, ці стани інтерферують один з одним і змушують нейтрино змінювати свій аромат.
Але якщо простір-час квантований, то він може бути неоднорідним на дуже малих масштабах, створюючи деякі “горби” і “ями” в тканині. Це може впливати на швидкість нейтрино, сповільнюючи їх або прискорюючи залежно від того, як вони проходять через ці нерівності. Це, своєю чергою, може впливати на ймовірність осциляції нейтрино.
Експеримент IceCube Neutrino Observatory в Антарктиді досліджує цю можливість, вимірюючи осциляції нейтрино високої енергії, які виробляють космічні промені. Якщо простір-час гладкий, то ймовірність осциляції має бути однаковою для всіх напрямків. Але якщо простір-час квантований, то ймовірність може змінюватися залежно від того, як нейтрино рухаються щодо структури тканини. Поки що результати IceCube не показують жодних відхилень від класичного передбачення.
Квантова піна
Ще одна ідея полягає в тому, що простір-час складається з безладної безлічі квантових подій, які постійно виникають і зникають на планківській шкалі – близько 10 –35 метра. Це б означало, що простір-час не є гладким і безперервним, а нагадує піну або губку. Таке уявлення називається квантовою піною.
Як ми можемо виявити цю піну? Одна з можливостей – це використовувати гамма-промені – найенергійніші види електромагнітного випромінювання. Гамма-промені можуть бути створені вибухами наднових або зіткненнями чорних дір. Якщо гамма-промені проходять через квантову піну, то вони можуть взаємодіяти з її флуктуаціями і втратити частину своєї енергії. Це означало б, що гамма-промені з різною енергією прибуватимуть на Землю з різною швидкістю.
Це можна перевірити за допомогою телескопів, таких як Фермі Gamma-ray Space Telescope або Cherenkov Telescope Array. Вони можуть виявляти гамма-промені від далеких джерел і вимірювати їхній час прибуття та енергію. Якщо простір-час гладкий, то всі гамма-промені мають прибувати одночасно. Але якщо простір-час квантований, то більш енергійні гамма-промені повинні прибувати пізніше, ніж менш енергійні. Поки що жодних таких затримок не виявлено.
Гравітаційні хвилі
Гравітаційні хвилі – це коливання тканини простору-часу, викликані прискореним рухом масивних об’єктів, таких як чорні діри або нейтронні зірки. Вони поширюються зі швидкістю світла і несуть інформацію про своє джерело. Якщо простір-час квантований, то гравітаційні хвилі можуть піддаватися квантовим флуктуаціям, які змінюють їхню амплітуду і частоту. Це означало б, що гравітаційні хвилі не зберігатимуть свою форму під час поширення.
Це можна перевірити за допомогою детекторів гравітаційних хвиль, таких як LIGO або VIRGO. Вони складаються з двох перпендикулярних лазерних променів, які відбиваються від дзеркал на кінцях довгих труб. Коли гравітаційна хвиля проходить через детектор, вона спотворює простір-час і змінює довжину труб. Це призводить до зміни фази лазерних променів, яку можна виміряти за допомогою інтерферометра.
Якщо простір-час гладкий, то гравітаційні хвилі повинні мати певну форму і частоту, які відповідають моделі джерела. Але якщо простір-час квантований, то гравітаційні хвилі можуть бути зашумлені квантовими флуктуаціями і відхилятися від очікуваної форми та частоти. Поки що жодних таких відхилень не виявлено.
Квантова петля
Ще одна спроба створити теорію квантової гравітації – це теорія петлевої квантової гравітації (ПКГ). Вона заснована на ідеї, що простір-час може бути представлений як мережа петель або кільцевих ліній, які кодують інформацію про його геометрію. Ці петлі не є матеріальними об’єктами, а радше математичними конструкціями, які описують поведінку гравітаційного поля на квантовому рівні. ПКГ намагається об’єднати рівняння Ейнштейна з принципами квантової механіки без введення додаткових вимірів або струн.
Але як ми можемо перевірити цю ідею? Одна з можливостей – це використати чорні діри – об’єкти з такою сильною гравітацією, що ніщо не може з них вирватися. Чорні діри мають властивість випаровуватися з часом, випромінюючи частинки та енергію. Це явище називається випаровуванням Гокінга і залежить від того, як чорна діра взаємодіє з квантовими флуктуаціями вакууму. Якщо простір-час квантований, то це може впливати на швидкість і спектр випаровування чорних дір.
Це можна перевірити за допомогою детекторів, таких як LISA або LIGO, які можуть виявляти гравітаційні хвилі від зіткнень чорних дір. Вони можуть вимірювати масу і спін чорних дір до і після злиття і порівнювати їх з теоретичними передбаченнями. Якщо простір-час квантований, то маса і спін чорних дір можуть бути меншими, ніж очікується за класичною теорією, через втрату енергії в процесі випаровування. Поки що жодних таких втрат не виявлено.
Квантова ентропія
Ще одна ідея полягає в тому, що простір-час має властивість, яка називається квантовою ентропією. Ентропія – це міра безладу або невизначеності в системі. Квантова ентропія – це міра безладу або невизначеності у квантовій системі. Якщо простір-час квантований, то він може бути розглянутий як квантова система, що має певну квантову ентропію.
Але як ми можемо виміряти цю ентропію? Одна з можливостей – це використати горизонт подій – межу чорної діри, за якою ніщо не може бути спостережуваним. Горизонт подій має властивість, яка називається ентропією Бекенштейна-Хокінга. Це міра інформації, яка міститься в чорній дірі і яка дорівнює площі горизонту подій, поділеній на чотири планківські константи. Якщо простір-час квантований, то ця ентропія може бути пояснена як квантова ентропія простору-часу на горизонті подій.
Це можна перевірити за допомогою експериментів зі створення штучних чорних дір у лабораторії. Це можна зробити за допомогою оптичних пасток, які використовують лазерні промені для утримання та охолодження атомів до наднизьких температур. При цьому атоми утворюють стан, який називається бозе-ейнштейнівським конденсатом – колективний квантовий стан, у якому атоми поводяться як одна велика хвиля. Якщо змінити параметри лазерних променів, то можна створити умови, за яких частина конденсату стане недоступною для спостереження – аналог горизонту подій чорної діри. Тоді можна виміряти ентропію цієї частини і порівняти її з теоретичним передбаченням.
Квантова інформація
Ще одна ідея полягає в тому, що простір-час не є фізичним об’єктом, а радше інформаційним конструктом. Це означає, що простір-час можна описати як набір бітів або одиниць інформації, які визначають його властивості та структуру. Ця ідея називається принципом голографії і була запропонована в 1990-х роках Леонардом Сасскіндом і Херардом ‘т Хофтом.
Принцип голографії свідчить, що все, що відбувається всередині деякої області простору-часу, може бути закодовано на її межі – двовимірній поверхні, яка оточує цю область. Це схоже на те, як тривимірний об’єкт може бути зображений на двовимірній фотографії або голограмі. Це означає, що кількість інформації, яка може міститися в просторі-часі, обмежена його площею, а не об’ємом. Це також означає, що простір-час може бути реконструйовано з інформації на його межі.
Але як ми можемо перевірити цю ідею? Одна з можливостей – це використовувати квантову заплутаність – явище, за якого дві частинки або системи можуть бути пов’язані так, що вимірювання однієї з них миттєво визначає стан іншої, навіть якщо вони розділені великою відстанню. Квантова заплутаність може бути розглянута як ресурс або міра інформації у квантовій системі. Якщо простір-час складено з інформації, то він може бути пов’язаний з квантовою заплутаністю.
Це можна перевірити за допомогою експериментів зі створення та вимірювання заплутаних станів у лабораторії. Це можна зробити за допомогою оптичних пристроїв, які використовують лазерні промені для створення і маніпулювання заплутаних фотонів – квантів світла. Потім можна виміряти ступінь заплутаності між фотонами за допомогою детекторів і аналізаторів поляризації. Якщо простір-час складено з інформації, то ступінь заплутаності має залежати від площі поверхні, яка розділяє фотони, а не від відстані між ними.
Висновок
У цій статті ми розглянули шість способів перевірити, чи є простір-час квантовим чи ні. Кожен із цих способів ґрунтується на різних теоретичних припущеннях та експериментальних методах. Жоден із них поки що не дав остаточної відповіді на це питання. Можливо, що простір-час не квантований у тому сенсі, як ми його розуміємо. Можливо, що ми ще не знайшли правильний спосіб описати його квантову природу. Можливо, що ми потребуємо нових експериментів або теорій, які могли б виявити приховані аспекти простору-часу. У будь-якому разі, це залишається однією з найбільш захопливих і складних загадок сучасної фізики.
