СТОКГОЛЬМ — В этом году мы отмечаем столетие общей теории Альберта Эйнштейна, его искусной работы, которая изображает гравитацию как искривление пространства и времени. Тем не менее, как и бывает в науке, идеи Эйнштейна снабдили физиков таким же количеством вопросов, как и ответов.
Поиск решений, которые удовлетворяют уравнения Эйнштейна — то есть пространство-время, которое описывают кривизну нашей Вселенной — трудное дело и поэтому его теорию развивали очень долго. Ученые, проводящие ранние исследования и первые важные тесты были вынуждены использовать лишь приближения. Потребовались десятилетия для разработки методов для классификации и получения новых решений. Однако, сегодня многие решения известны, и другие сложные проблемы, такие, как гравитационное поле двух сталкивающихся звезд, могут быть изучены с помощью компьютеров для выполнения численных расчетов.
Теория Эйнштейна не только описывает нашу вселенную, от Большого взрыва до черных дыр, но она также научила физиков актуальности геометрии и симметрии — уроки, которые распространяются от физики частиц до кристаллографии. Но, несмотря на сходства, которые теория Эйнштейна имеет с другими теориями в физике, она уникальна своим отказом соотноситься с квантовой механикой, теорией, которая объясняет доминирующее поведение веществ в атомных и субатомных исчислениях.
Согласно теории Эйнштейна, гравитация, в отличие от всех других физических сил, известных человеку, не квантуется. Она не подлежит знаменитому принципу неопределенности Гейзенберга. Электромагнитное поле частицы, которая проходит через двойную щель, может пройти через обе щели одновременно. Ее гравитационный эквивалент не может. Это несоответствие между нашим пониманием гравитации и квантовой теории материи представляет огромную загадку для физиков-теоретиков, так как это приводит к математическим противоречиям.
Очевидно, что есть элементы в комбинации квантовой теории и гравитации, которые остаются неизвестными, а наше понимание пространства, времени и материи зависит от разгадки этой связи. Поиск описания гравитации, которое совместимо с нашим пониманием квантовой физики смогло бы революционизировать космологию, привести к новому пониманию первых моментов нашей вселенной, и обеспечить более глубокое понимание теории, на которой вся современная физика основана. Но, несмотря на огромный потенциал воздействия такого прорыва и усилия поколений физиков в ее достижении, мы все еще не знаем, какая теория является правильной.
Вопреки тому, как вы чувствуете себя, когда пытаетесь вылезти из постели по утрам, гравитация на сегодняшний день является самой слабой фундаментальной силой из всех тех, которые мы определили. Она использует всего лишь статическое отталкивание нескольких электронов для того, чтобы заставить ваши волосы держать форму, преодолев гравитационное притяжение всей планеты. В атомном и субатомном мире, гравитация не имеет значения по сравнению с тем, что еще происходит в рамках квантовой теории.
Слабость силы тяжести делает ее очень трудной для измерения квантовых эффектов. В результате, у нас нет никаких экспериментальных данных для того, чтобы помочь физикам-теоретикам в развитии пропавшей теории. Для обнаружения «гравитона» — гипотетической частицы, составляющей часть гравитационного поля — потребуется коллайдер частиц, размером с Млечный Путь или детектор с массой Юпитера. Эти эксперименты так не соотносятся с нашими технологическими возможностями, что физики стали сосредотачиваться на попытке сначала устранить математические противоречия путем разработки подходов, таких как теории струн, петлевой квантовой гравитации, и асимптотически безопасной гравитации. Но для того, чтобы знать, какая теория описывает физическую реальность, в конце концов, нам придется разработать экспериментальные испытания.
Именно поэтому, в течение последнего десятилетия физики начали искать косвенные доказательства квантовой гравитации. Вместо того, чтобы пытаться обнаружить квант гравитационного поля, исследователи ищут другие последствия, которые бы означали, что гравитация является квантовой. Эти тесты работают так же, как и те, которые используют стабильность атомов как косвенное доказательство квантования электромагнитной силы. Например, некоторые ученые ищут доказательства квантовых флуктуаций пространства-времени, которые могут размыть изображения удаленных звезд и привести к систематическим искажениям. Другие ищут нарушения определенных симметрий, которые позволили бы существовать запрещенным распадам частиц, необъяснимому шуму в детекторах гравитационных волн, или необъяснимым потерям квантовой когерентности.
До сих пор этим попыткам не удалось обнаружить доказательства. Тем не менее, они привели к важным событиям, потому что отрицательные результаты исключают некоторые правдоподобные гипотезы. И, хотя исследователи не могут найти результаты, подтверждающие какую-то одну теорию, они продвинули науку за счет того, что лучше определяют наблюдательные критерии, которые любая квантовая теория гравитации будет принимать во внимание.
В то время, как мы отмечаем достижение Эйнштейна, мы должны также воспользоваться возможностью отпраздновать безжалостный дух тех, кто толкает науку вперед и пытается ответить на вопросы, которые его теория оставила нам. Этот поиск расцвел в удивительные плодотворные научно-исследовательские области, такие как космология, численность в общей теории относительности и квантовая гравитация. Общая теория относительности принесла нам червоточины, испаряющиеся черные дыры, и теорию Большого Взрыва: она лежит в основе открытия того, что Вселенная расширяется, и что так называемые экзопланеты встречаются гораздо чаще, чем кто-либо думал, и она дала совершенно новое определение тому, как мы думаем о нашем собственном месте во Вселенной, в конечном счете, даже ставя под вопрос, является ли наша Вселенная одинокой.
Ни одно из этих достижений не было бы возможным, если бы исследователи работал в соответствии с трехгодовыми планами, которые характеризуют большую часть текущего научного сообщества. Поэтому в этом году, пожалуй, настал правильный момент для того, чтобы оценить провидцев, которые понимали, что устойчивый прогресс зависит от развития новых и лучших теорий, влияние которых может быть полностью неосознанно даже в течение многих десятилетий... и это может продолжаться 100 лет спустя.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
В этом году мы отмечаем столетие общей теории Альберта Эйнштейна, его искусной работы, которая изображает гравитацию как искривление пространства и времени. Тем не менее, как и бывает в науке, идеи Эйнштейна снабдили физиков таким же количеством вопросов, как и ответов.
