Сила, с которой мы знакомы ближе всего, по-прежнему окутана величайшей тайной. Физики понимают, как гигантские миграции частиц, называемых фотонами, освещают наши дома, и как рои частиц-«глюонов» удерживают вместе ядра наших атомов. Но они не могут сказать, какие именно частицы гравитации, если таковые вообще существуют, так радуют нас в младенчестве, заставляя наши ложки с грохотом падать на пол. Сила гравитации оказалась настолько сложной для описания в терминах частиц, что многие физики вовсе отказались от этого подхода. Они рассматривают возможность того, что гравитация - а вместе с ней и вся реальность - может состоять из крошечных струн или других диковинных вещей.
Но в одном из уголков мира теоретической физики подход, основанный на частицах, вновь заявляет о себе. Растущая группа физиков применяет к гравитации стандартный метод физики частиц, известный как квантовая теория поля. Хотя такое использование теории долгое время считалось фатально ошибочным, эти учёные теперь обнаруживают, что она работает гораздо лучше, чем ожидали их предшественники.
«Пока нет ни одного намёка на то, что нам следует отбросить квантовую теорию поля; на самом деле, всё наоборот», - говорит Лука Буонинфанте, физик-теоретик из Университета Радбауда в Нидерландах, чьи расчёты помогли укрепить старую теорию.
По его словам, когда вы применяете стандартную квантовую теорию поля к гравитации, вы не просто получаете уникальную теорию, называемую квадратичной гравитацией.
«Вы также получаете новые предсказания».
Эти предсказания ещё не проверены. И с чисто теоретической точки зрения, у квадратичной гравитации есть жуткие особенности, которые до сих пор пугают многих физиков.
Но энтузиастов квадратичной гравитации не отталкивают её аномалии. Напротив, они рассматривают эти особенности как ранее недооценённые возможности, которые может допускать квантовая теория поля. Например, возможно, на микроскопическом уровне следствия иногда умудряются опережать свои причины. И, возможно, «призрачные» частицы с отрицательной энергией, возникающие в квадратичной гравитации, могут безопасно существовать в уравнениях, не создавая парадоксов в экспериментах.
Призраки, по словам Буонинфанте, могут быть новыми объектами, которые появляются, когда мы пытаемся понять гравитацию и квантовую теорию поля на более глубоком уровне.
Делегируйте часть рутинных задач вместе с BotHub! Для доступа к сервису не требуется VPN и можно использовать российскую карту. По ссылке вы можете получить 100 000 бесплатных токенов для первых задач и приступить к работе с нейросетями прямо сейчас!
Больше констант, больше проблем
С того самого момента, как физики попытались вписать гравитацию в квантовую теорию поля (систему, которую они используют для описания всех остальных фундаментальных сил), стало очевидно, что этот союз будет тернистым.
Квантовые поля - это вибрирующие субстанции, пронизывающие пространство. Рябь в квантовом поле - это частица. Обмениваясь потоками этих частиц-волн, один объект может толкать или притягивать другой, создавая силу. Электромагнитная сила, например, передаётся через возмущения в электромагнитном поле, которые мы называем фотонами.
Глубоко неудобная истина квантовой теории поля заключается в том, что поведение поля зависит от каждой из невообразимого множества волн, которые оно может поддерживать. А эти волны бывают бесконечного числа форм и размеров. Когда физики впервые изобрели квантовую теорию поля и попытались с её помощью задавать вопросы об электронах и фотонах, их расчёты уходили в бесконечность, потому что каждый член суммы пытался учесть нескончаемый континуум всё более мелких волн. Но сумма бесконечных членов не давала никакого ответа.
В конце 1940-х годов физики Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и Синъитиро Томонага независимо друг от друга нашли обходной путь, который позволил превратить эти бесконечные волны в ясные ответы, за что и получили Нобелевскую премию. Они поняли, что могут выразить непознаваемые, кажущиеся бесконечными части своих расчётов через их суммарное влияние на две известные константы, уже измеренные в лаборатории: массу и заряд электрона. Это зафиксировало значения членов ряда, после чего физики могли предсказывать всё, что им угодно, об электромагнитном поле.
Этот трюк, известный как перенормировка, поначалу казался алгебраической уловкой. Но в последующие десятилетия физики поняли, почему он работает. Перенормировка была способом размыть самые мелкие волны в поле, учитывая лишь их суммарный эффект. В случае электромагнитного поля это работает, потому что влияние мелких волн ограничено. Чем меньше волны, тем слабее они влияют на более крупные.
Однако с гравитацией всё иначе.
У гравитации тоже есть поле: сама ткань пространства-времени. Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности описал гравитацию как следствие «падения» объектов по кривым в этой ткани пространства-времени. Это гравитационное поле - не вибрирующая сущность, заполняющая пространство, а скорее вибрирующая сущность, которая и есть пространство. Физики обнаружили гравитационные волны, путешествующие по этому полю. И именно мельчайшая рябь в этом поле создаёт бесконечные проблемы.
Когда Фейнман и его коллега Брайс Девитт попытались провести перенормировку гравитации, они обнаружили, что чем мельче волны пространства-времени, тем больше их значение. Они влияют на колебания пространства-времени на более высоких уровнях бесчисленными тонкими способами, которые нельзя свести лишь к нескольким измеримым константам. Трюк не сработал. Мельчайшие волны пространства-времени отказывались быть «размытыми».
«Это беспокоило всех, - говорит Джон Донохью, эксперт по квантовой теории поля из Массачусетского университета в Амхерсте. - Именно по этой причине квантовая общая теория относительности считалась проблемой».
Рождение квадратичной гравитации
В середине 1970-х годов покойный Келлог Стелл, тогда аспирант Брандейского университета, увидел, что существует способ - и только один - остановить поток бесконечностей, который преследовал ранние попытки квантовать общую теорию относительности.
Общую теорию относительности можно записать в виде уравнения, содержащего один-единственный член, представляющий кривизну пространства-времени. Примените к этому уравнению процедуру перенормировки Фейнмана и Девитта, и вы получите один тип частиц-волн, гравитон, колеблющийся бесконечным и неигнорируемым образом.
Но Стелл понял, что может модифицировать уравнение Эйнштейна так, чтобы пространство-время больше походило на электромагнитное поле, с волнами, которые становятся менее значимыми по мере уменьшения их размера. Их суммарный эффект можно было бы тогда учесть всего в нескольких измеримых константах, аналогично заряду и массе электрона в электромагнетизме. Эта теория гравитации, получившая название квадратичной гравитации, поскольку содержала два новых члена, связанных с квадратом кривизны, поддавалась перенормировке. Она имела столько же смысла, сколько и электромагнетизм.
«Это даёт вам некую - неопределённый артикль - квантовую теорию гравитации», - говорил Стелл, который до своей смерти в прошлом месяце был профессором Имперского колледжа Лондона. «Но тогда, конечно, возникает вопрос: а нравится ли она вам?»
Большинству физиков, включая самого Стелла, она не нравилась.
«Я также осознавал, что не всё в ней будет гладко», - сказал он в интервью в апреле.
Проблема заключалась в том, что эта усовершенствованная ткань пространства-времени теперь могла поддерживать три типа волн. Первый член представляет обычные гравитоны. Но два члена с квадратом кривизны вводят в картину две новые частицы. Одна из них безобидна, Стелл называл её «милой маленькой скалярной частицей». Но другая - настоящий упырь.
Нежеланный знак минуса, вытекающий из третьего члена, порождает хаос. Связанная с ним частица имеет отрицательную энергию, поэтому ткань пространства-времени на самом деле получает энергию, создавая её. Это означает, что таких частиц будет спонтанно появляться всё больше и больше, превращая само пространство во всё более энергетическое пекло.
Хуже того, события с участием этой третьей частицы могут иметь отрицательную вероятность - бессмысленное утверждение.
Физики называют такие частицы призраками и говорят, что теории, одержимые призраками, «больны» - математически противоречивы.
Вскоре после того, как Стелл опубликовал своё исследование в 1977 году, физики наткнулись на более здоровую теорию квантовой гравитации под названием супергравитация. Она решала несколько проблем, постулируя, что каждая известная элементарная частица объединяется с ещё не открытой частицей-«суперпартнёром». Супергравитация немедленно захватила внимание физиков-теоретиков, включая Стелла. Со временем эта теория сольётся с теорией струн и будет доминировать в этой области на протяжении десятилетий.
Квадратичная гравитация, с её призраками и противоречиями, не могла с ней конкурировать. Физики уделяли ей мало внимания, цитируя статью Стелла всего 10–20 раз в год.
Призрачное возрождение
Однако теория так и не исчезла полностью.
Теоретики время от времени к ней возвращались. Интерес возрос в 2010-х годах, когда теория струн не смогла обеспечить тех впечатляющих прорывов, которые обещали её ранние сторонники, а суперпартнёры так и не появились в экспериментах на Большом адронном коллайдере.
В 2014 году итальянские физики Альберто Сальвио и Алессандро Струмиа задались вопросом, может ли квадратичная гравитация решить загадку, которую многие ожидали разрешить с помощью суперпартнёров. Эта загадка, известная как проблема иерархии, заключается в вопросе, почему гравитация кажется невероятно слабой по сравнению с тремя другими фундаментальными силами. Почему для тех сил существует одна «шкала», а для гравитации - особая, разительно отличающаяся? Сальвио и Струмиа обнаружили, что две дополнительные частицы из теории Стелла могут помочь развести эти две шкалы. Это заставило их задуматься, действительно ли призрак является непреодолимым препятствием.
Несколько лет спустя Дамиано Ансельми из Пизанского университета обнаружил, что исследователи могут избежать ловушек, с которыми сталкиваются теории с призраками, используя альтернативные версии правил, изложенных Фейнманом для описания квантовых событий.
«Создавалось впечатление, что последнее слово уже сказано. Но это было неправдой», - сказал он.
Донохью, недавно получивший престижную премию Дж. Дж. Сакураи за вклад в квантовую теорию поля, также начал изучать эту предположительно больную теорию. Работая с Габриэлем Менезесом, ныне сотрудником Университета Сан-Паулу в Бразилии, он обнаружил, что в простых сценариях частицы-призраки на самом деле не вызывают того хаоса, которого опасались физики. Они настолько нестабильны, что имеют тенденцию исчезать, прежде чем успевают «разогреть» вакуум или проявить отрицательные вероятности. Вакуум оставался спокойным, а вероятности по-прежнему суммировались до 100% - важнейшее свойство, известное как унитарность.
«У нас есть несколько примеров, которые и заставили меня в это поверить, - сказал Донохью. - Вещи, о которых все остальные сказали бы, что они нарушают унитарность, похоже, этого не делают».
Так почему же призрак, кажется, тихо скрывается, а не активно преследует теорию Стелла? Энтузиасты квадратичной гравитации пришли к нескольким пересекающимся идеям.
Сальвио и Боб Холдом, почётный профессор физики из Университета Торонто, независимо друг от друга заметили, что можно немного изменить заключительный (и довольно подозрительный) шаг в вычислении вероятностей таким образом, чтобы гарантировать, что они всегда будут оставаться положительными.
А Донохью указывает, что даже если не менять правила Фейнмана так, как предлагает Ансельми, призраки почти не существуют. Они появляются лишь мимолётно, на коротких расстояниях. В эти мгновения приходится платить высокую цену, но это не стабильность или унитарность. Скорее, это обычно жёсткий порядок причин и следствий. Тот самый знак минуса позволяет частицам-призракам на короткое время прыгать назад во времени, где они могут влиять на частицы, на которые иначе не смогли бы. В этой картине неумолимый поток времени вперёд, который мы ощущаем, возникает как тонкое среднее значение множества таких темпорально зыбких микромоментов.
Понимание каждой из других фундаментальных сил требовало от физиков освоения новых странных концепций, таких как перенормировка. Поэтому, утверждают исследователи, возможно, призраки (и модифицированные правила квантовой теории поля, необходимые для работы с ними) - это ключ, который откроет гравитацию. И даже если гравитация устроена не так, физики видят ценность в строгом исследовании поведения квантовых теорий поля с призрачными знаками минуса.
«Там есть что-то, что нужно понять», - говорит Беньямин Кнорр, исследователь из Университета Радбауда, работающий над другими теориями гравитации.
Предстоит ещё много работы, чтобы определить, насколько совместимы эти предложенные расширения стандартной квантовой теории поля друг с другом, и не потерпят ли они неудачу в более сложных ситуациях. Но по большей части исследователи квадратичной гравитации перестали бояться призраков.
«Математически они теперь имеют смысл», - сказал Буонинфанте.
Однако другие теоретики всё ещё сомневаются, действительно ли эти исправления решают все потенциальные проблемы. Нельзя просто так вмешиваться в критические принципы физики, такие как причинность и унитарность.
«Они усердно работают, - говорит Алессия Платания, исследователь квантовой гравитации из Копенгагенского университета. - Но я бы сказала, что этот вопрос всё ещё открыт».
Слои реальности
Для исследователей квадратичной гравитации неопределённая работа по «охоте на призраков» того стоит. Помимо математических преимуществ теории, «милая маленькая скалярная частица» Стелла - это именно тот тип частицы (и связанного с ней квантового поля), который мог бы вызвать взрывное расширение космоса во время Большого взрыва, что, по мнению многих космологов, и создало ту вселенную, которую мы видим сегодня. Фактически, советский физик Алексей Старобинский использовал квадратичную гравитацию для формулирования первой теории этого начального скачка роста, названного космической инфляцией, в 1980 году.
Космическая инфляция должна была вызвать волны в пространстве-времени, которые оставили тонкие отпечатки на небе. Несмотря на интенсивные поиски, их не обнаружили, что исключило несколько моделей инфляции. Однако недавние работы Ансельми и других предполагают, что вселенная с квадратичной гравитацией должна производить волны, слишком слабые для обнаружения современными телескопами. Обсерватории следующего поколения, возможно, смогут уловить эти слабые волны.
«Инфляция Старобинского - единственная оставшаяся, которая, на мой вкус, имеет смысл с точки зрения квантовой теории поля», - говорит Донохью.
Благодаря сочетанию неожиданно дружелюбных призраков, растущей популярности инфляции Старобинского и застоя в других теориях квантовой гравитации, популярность квадратичной гравитации выросла. Оригинальная статья Стелла в последнее время набирает более 150 цитирований в год.
Если призраки будут полностью изгнаны, а волны пространства-времени от инфляции Старобинского однажды будут обнаружены, что будет означать квадратичная гравитация для реальности? Мнения расходятся.
Подсказки из теории струн, физики чёрных дыр и других областей привели к широко распространённому убеждению, что пространство-время должно распадаться на более странные сущности на некотором субмикроскопическом уровне. Но если квадратичная гравитация окажется окончательной теорией гравитации, то дрожащая ткань пространства-времени может сохраняться, независимо от того, насколько сильно вы увеличиваете масштаб.
«Мы говорим о подлинном континуальном описании вплоть до произвольно малых масштабов, - говорит Холдом. - Пространство-время навсегда».
Эта возможность недавно получила поддержку. В прошлом году Донохью и его соавторы обнаружили важный математический факт о том, как гравитоны сталкиваются в квадратичной гравитации. По мере того как столкновения становятся более интенсивными, гравитация ослабевает, что облегчает расчёты - явление, известное как асимптотическая свобода. Их результат предполагает, что квадратичная гравитация никогда не ломается и может привести нас к самым глубоким уровням реальности.
«Это может позволить ей быть окончательной теорией», - говорит Донохью. Однако он добавляет: «Я не убеждён, что это окончательная теория».
Альтернатива заключается в том, что квадратичная гравитация, несмотря на то, что она перенормируема и асимптотически свободна, всё же не является полным описанием гравитации.
Вспомним, что перенормировка сводится к фильтру, который «размывает» мельчайшие волны мира. Перенормируемые теории - это те, в которых упущение этих деталей не сильно меняет общую картину. Размытая картина работает хорошо. Неперенормируемые теории - это те, где размытая картина сильно отличается от чёткой. Она работает не так хорошо, как хотелось бы, потому что каждая мельчайшая деталь имеет значение. Таким образом, неперенормируемые теории, такие как квантованная общая теория относительности, бросают вызов физикам, заставляя их понимать все слои реальности одновременно.
Удивительные успехи квадратичной гравитации намекают на то, что у гравитации всё же может оказаться достаточно хорошо работающая «размытая картина». Возможно, ниже определённого пространственного масштаба любые сложные детали - будь то струны, петли или вообще ничего - можно игнорировать, и вы всё равно получите полностью последовательную теорию. Если это так, физики смогут точно предсказывать, как сталкиваются гравитоны и как раздувалась вселенная, не беспокоясь о том, что на самом деле происходит на самых малых масштабах.
«Это может быть, а может и не быть окончательной теорией, - говорит Донохью. - Но, возможно, она становится замкнутым, самосогласованным слоем реальности».
Стелл разделял эту точку зрения. Сам он никогда не возвращался к своей теории, наблюдая за её недавним возрождением (которое он называл «приятным») издалека. Но он пришёл к выводу, что она всё-таки имеет некоторую ценность.
«Моя собственная реакция на неё сейчас такова: это возможное связующее звено, - сказал он, - своего рода промежуточный режим».
А теперь ваша очередь
Что это, на ваш взгляд?
Гениальный прорыв, который наконец откроет нам истинную природу гравитации? Или просто красивая математическая аномалия, которой не место в реальном мире?
Это безумие или гениальность?
Поделитесь своим мнением в комментариях. Будем ждать!
