Пясъчните дюни, гледани отдалеч, изглеждат гладки като копринени чаршафи, разпръснати из пустинята. Но по-внимателен преглед разкрива много повече. Когато се приближите до дюните, може да забележите по-малки вълнички в пясъка. Докоснете повърхността им и ще усетите отделни зърна. Същото важи и за цифровите изображения: увеличете някой перфектен портрет достатъчно, и ще откриете отделните пиксели, които съставят картината.

Самата вселена може по подобен начин да е пикселизирана.

Учени като Рана Адхикари (Rana Adhikari), професор по физика в Калифорнийския технологичен институт, смятат, че пространството, в което живеем, може да не е идеално гладко, а по-скоро направено от невероятно малки дискретни единици.

„Пространствено-времевият пиксел е толкова малък, че ако трябваше да увеличите нещата така, че да стане с размер на пясъчно зърно, тогава атомите биха били големи като галактики“, разказва Адхикари.

Адхикари и учени от цял ​​свят се опитват да разкрият тази пикселизация, защото това е прогноза за квантовата гравитация, една от най-дълбоките физически загадки на нашето време. Квантовата гравитация се отнася до набор от теории, включително теорията на струните, която се стреми да обедини макроскопичния свят на гравитацията, управляван от Общата теория на относителността, с микроскопичния свят на квантовата физика. В основата на мистерията е въпросът дали гравитацията и пространството-времето, което обитава, могат да бъдат „квантувани“ или разбити на отделни компоненти, отличителен белег на квантовия свят.

„Понякога има погрешно тълкуване в научната комуникация, което предполага, че квантовата механика и гравитацията са непримирими“, коментира Клиф Чъунг (Cliff Cheung), професор по теоретична физика в Калифорнийския технологичен институт. „Но знаем от експерименти, че можем да правим квантова механика на тази планета, която има гравитация, така че те са явно непротиворечиви. Проблемите възникват, когато задаваме коварни въпроси за черните дупки или се опитваме да обединим теориите в мащаба на много къси разстояния."

Поради въпросните невероятно малки мащаби, някои учени смятат, че намирането на доказателства за квантовата гравитация в обозримо бъдеще е невъзможна задача. Въпреки че изследователите имат идеи как биха могли да намерят свидетелства за съществуването й – около черните дупки; в ранната вселена; или дори с помощта на обсерваторията LIGO, която открива гравитационни вълни - никой все още не е открил никакви намеци за квантова гравитация в природата.

Професорът по теоретична физика Катрин Зурек (Kathryn Zurek) има намерение да промени това. Наскоро тя създава ново мултиинституционално сътрудничество, за да разбере как да наблюдава знаците на квантовата гравитация. Проектът, наречен Quantum gravity and Its Observational Signatures (QuRIOS), обединява физици, специалисти по теория на струните, които са запознати с формализма на квантовата гравитация, но имат малко практика при проектирането на експерименти, с теоретици на частици и създатели на модели, които имат опит с експерименти, но не работят с квантовата гравитация.

„Идеята, че може да сте в състояние да потърсите видими характеристики на квантовата гравитация, е много далеч от основното течение“, отбелязва Катрин Зурек. „Но ще се изгубим в пустинята, ако не започнем да се фокусираме върху начините да свържем квантовата гравитация с естествения свят, в който живеем."

_{Рана Адхикари, вляво, и Катрин Зурек, вдясно. Кредит: Lance Hayashida/Caltech}

Като част от сътрудничеството на Зурек, тя ще работи с Адхикари, като резултат е предложеният експеримент, наречен Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time (GQuEST), който ще може да открие не самите отделни пиксели от пространство-времето, а по-скоро връзките между пикселите, които пораждат видими сигнатури. Адхикари сравнява търсенето с настройката на стари телевизори.

„Когато бях малък, не можехме да хванем NBC и се опитвахме да го настроим. Но през повечето време виждахме пикселизиран сняг. Част от този сняг, който знаем, идва от космическия микровълнов фон или от раждането на Вселената, но ако се настрои точно, може да се улови сняг от слънчеви бури и други сигнали. Точно това се опитваме да направим: внимателно да се настроим на снега или флуктуациите на пространство-времето. Ще търсим да видим дали снегът се колебае по начини, които са в съответствие с нашите модели на квантовата гравитация. Нашата идея може да е невярна, но трябва да опитаме."

Нов план за Вселената

Разкриването на проблема с квантовата гравитация би било едно от най-големите постижения на физиката, наравно с двете теории, които изследователите искат да слеят. Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн промени възгледа за Вселената, показвайки, че пространството и времето могат да се разглеждат като нещо единно непрекъснато, пространство-време, което се изкривява в отговор на материята. Гравитацията, обяснява теорията, не е нищо повече от кривината на пространство-времето.

Таблица на фундаменталните взаимодействия
Фундаментални взаимодействия и сегашни теории за тях	Калибро-въчни Бозони	Частици, участващи във взаимодействието (примери)	Време (s)	Радиус (обхват) (м)	Относи-телна сила
Квантова хромодинамика (QCD)		Кварки (адрони)	10-23	10-15	1038
Квантова електродинамика (QED)		Заредените частици	10-23 ÷1016	∞	1036
Теория на електрослабите взаимодействия		Всички частици	10-12	10-18	1025
Обща теория на относителността (ОТО)		Всички частици	∞	∞	1
Гравитонът е хипотетична елементарна частица, която не е включена в Стандартния модел, но ако съществува, би трябвало да бъде калибровъчна. Илюстрациите са от: ETH Zurich, Institute for Particle Physics, превод bgchaos

Втората теория е квантовата механика, описва трите други известни сили във Вселената освен гравитацията: електромагнетизъм, слабото ядрено взаимодействие и силното ядрено взаимодействие. Определяща характеристика на квантовата механика е, че тези сили могат да бъдат квантувани до дискретни порции или частици. Например квантуването на електромагнитната сила води до частица, известна като фотон, която изгражда светлината. Фотонът работи зад кулисите в микроскопични мащаби, за да предава силата на електромагнетизма. Въпреки че електромагнитното поле изглежда непрекъснато в големите мащаби, с които сме свикнали, то става „неравномерно“, съставено от фотони, когато увеличим картината. Тогава централният въпрос на квантовата гравитация е следният: дали пространството-времето също се превръща в море от частици в най-малките мащаби, или остава гладко като повърхността на спокойно езеро? Учените обикновено смятат, че гравитацията трябва да бъде неравна и в най-малките си мащаби; подутините са хипотетични частици, наречени гравитони. Но когато физиците използват математически инструменти, за да опишат как гравитацията може да възникне от гравитони в много малки мащаби, нещата се разпадат.

„Математиката става невъзможна и дава абсурдни отговори като безкрайност, където трябва да получим крайни числа като отговори. Това предполага, че нещо не е наред“, разказва Хироси Оогури (Hirosi Ooguri), професор по теоретична физика и математика и директор на Института по теоретична физика "Уолтър Бърк". „Малцина разбират колко е трудно да се изгради непротиворечива теоретична рамка, да се обединят Общата теория на относителността и квантовата механика. „Изглежда, че е невъзможно, но тогава имаме струнната теория."

^{Кредит: Wikimedia Commons}

В основата са струни

Много учени са на мнение, че теорията на струните е най-пълната и вероятна теория на квантовата гравитация до момента. Тя описва вселена с 10 измерения, шест от които са разпръснати невидими, докато останалите четири съставляват пространството и времето. Вярна на името си, теорията предполага, че цялата материя във Вселената на най-фундаментално ниво е направена от малки струни. Подобно на цигулка, струните резонират на различни честоти или ноти, като всяка нота съответства на уникална частица като електрон или фотон. Смята се, че една от тези ноти съответства на гравитона.

Джон Шварц (John Schwarz), почетен професор по теоретична физика,е един от първите, осъзнали силата на теорията на струните за преодоляване на пропастта между квантовия свят и гравитацията. През 70-те години на миналия век той и неговият колега Джоел Шерк (Joël Scherk) се опитват с помощта на математическите инструменти на теорията на струните да опишат силното ядрено взаимодействие. Те обаче осъзнават, че недостатъците на теорията могат да се превърнат в предимства, ако променят курса.

„Вместо да се мъчим да изградим теория за силното ядрено взаимодействие, ние взехме тази красива теория и се запитахме за какво ще бъде подходяща“, разказа Шварц в интервю през 2018 г. „Оказа се, че е добра за гравитацията. Никой от нас не бе работил върху гравитацията. Това не беше нещо, което ни интересуваше особено, но осъзнахме, че тази теория, която има проблеми с описанието на силното ядрено взаимодействие, поражда гравитацията. След като осъзнахме това, знаех какво ще правя до края на кариерата си.”

В сравнение с другите сили гравитацията е странна.

„Гравитацията е най-слабата сила, която познаваме“, обяснява Оогури. „Стоя тук, на четвъртия етаж на сградата Lauritsen, и причината гравитацията да не пропадна през пода е, че вътре в бетона има електрони и ядра, които ме поддържат. И така, електрическото поле побеждава гравитационната сила".

Въпреки това, докато силната ядрена сила отслабва на все по-къси разстояния, гравитацията става по-силна.

„Струните помагат да се смекчи това високоенергийно поведение“, обяснява Оогури. "Енергията се разпръсква в струна."

_{Кредит: Pxhere}

Настолни тестове на квантовата гравитация

Предизвикателството пред теорията на струните се крие не само в това да я приведем в съответствие с нашия ежедневен нискоенергиен свят, но и в тестването й. За да се види какво се случва в малките мащаби, при които се предполага, че пространството-времето става зърнесто, експериментите ще трябва да изследват разстояния от порядъка на това, което е известно като дължината на Планк, или 10^–35 метра. За да достигнат до такива екстремни мащаби, учените ще трябва да изградят също толкова екстремен детектор.

„Един от начините е да направите нещо с размерите на Слънчевата система и да потърсите подписи на квантовата гравитация по този начин“, обяснява Адхикари. „Но това е наистина скъпо и ще отнеме стотици години!“

Вместо това, разказва Катрин Зурек, изследователите могат да изследват аспекти на квантовата гравитация, използвайки много по-малки експерименти.

„За експериментите с по-ниска енергия, които предлагаме, не се нуждаем от цялата техника на теорията на струните“, отбелязва тя.

Експериментите, предложени от Зурек, Адхикари и техните колеги, се фокусират върху ефектите на квантовата гравитация, които могат да бъдат наблюдавани в по-управляеми мащаби от 10^-18 метра. Това все пак е много малко, но потенциално изпълнимо с помощта на много прецизни лабораторни инструменти.

Тези настолни експерименти биха били като мини LIGO: L-образни интерферометри, които изстрелват два лазерни лъча в перпендикулярни посоки. Лазерите отскачат от огледалата и се срещат обратно на мястото, където тръгват. В случая на LIGO гравитационните вълни разтягат и притискат пространството, което влияе на времето, когато се срещат лазерните лъчи. Експериментът с квантовата гравитация би търсил различен вид пространствено-времево флуктуация, състояща се от гравитони, които се появяват и изчезват в това, което някои наричат ​​квантовата или пространствено-времевата пяна. (Фотоните и други квантови частици също се появяват и изчезват поради квантови флуктуации.) Вместо да търсят гравитоните поотделно, изследователите търсят „корелации на дълги разстояния“ между сложни колекции от хипотетични частици, които водят до видими подписи.

„Смятаме, че има пространствено-времеви флуктуации, които могат да смущават светлинните лъчи“, обяснява Зурек. „Искаме да проектираме апарат, при който флуктуациите на пространство-времето удрят фотон от лъча на интерферометъра, а след това ще използваме еднофотонни детектори, за да отчитаме това смущение в пространството и времето."

Възникващо пространство-време

„Гравитацията е холограма“, казва Моника Джину Канг (Monica Jinwoo Kang), докторант на Шърман Феърчайлд (Sherman Fairchild) по теоретична физика в Калифорнийския технологичен институт,  обяснявайки холографския принцип, ключов принцип на модела на Зурек.

Този принцип, който бе реализиран с помощта на теорията на струните през 90-те години на миналия век, предполага, че явления в три измерения като гравитацията, могат да се появят от плоска двуизмерна повърхност.

„Холографският принцип означава, че цялата информация в обем от нещо е кодирана на повърхност“, обяснява Канг.

По-конкретно, смята се, че гравитацията и пространство-времето се появяват от квантовото вплитане на частици, което се случва на 2D повърхност. Вплитането възниква, когато субатомните частици са свързани в пространството,  частиците действат като едно цяло, без да са в пряк контакт една с друга, донякъде като ято скорци.

„Съвременните гледни точки за квантовата гравитация, вдъхновени от теорията на струните, предполагат, че пространството-времето и гравитацията се материализират от вплетени мрежи. При този начин на мислене самото пространство-време се определя от това колко е вплетено нещо“, коментира Канг.

В предложения експеримент от Зурек и Адхикари идеята би била да се изследва тази 2D повърхност или това, което те наричат ​​„квантов хоризонт“, за гравитонни флуктуации. Гравитацията и пространството-времето, обясняват те, излизат от квантовия хоризонт. „Нашият експеримент би измерил размиването на тази повърхност“, разказва Зурек.

Тази неяснота би представлявала пикселизация на пространство-времето. Ако експериментът успее, това ще помогне да предефинираме нашата концепция за гравитацията и пространството на най-фундаментално, най-дълбоко ниво.

„Ако изпусна чашата си за кафе и тя падне, бих искал да мисля, че това е гравитацията“, обяснява Адхикари. „Но по същия начин, по който температурата не е „реална“, а описва как група молекули вибрират, пространството и времето може да не е нещо реално. Виждаме ята птици и ятата риби да предприемат кохерентно (съгласувано) движение в групи, но те наистина са съставени от отделни животни. Казваме, че груповото поведение е възникващо. Може да се окаже, че нещо, което възниква от пикселизацията на пространство-времето, току-що е получило името гравитация, защото все още не разбираме каква е вътрешността на пространство-времето.”

Източник:

Is Space Pixelated? The Quest for Quantum Gravity, WHITNEY CLAVIN, CALTECH