Физики уже давно пытаются «подружить» четыре фундаментальные силы в природе. Пока в квантовую теорию удалось вписать три из них — хорошо известное нам электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, отвечающее за радиоактивный распад, и сильное взаимодействие, удерживающее нейтроны и протоны в атомном ядре. С гравитацией так пока не получилось — разберемся, почему.
Pexels
Хотя общая теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию как искривление пространства-времени, объясняет большинство гравитационных явлений, она терпит неудачу на микроуровне и не может объяснить, что же происходило во Вселенной при ее рождения - в момент Большого взрыва, когда её размер был меньше диаметра атома. Тут-то и должна помочь квантовая механика — именно она занимается описанием эффектов в настолько малых масштабах.
Расскажем простыми словами, как физики пытались подружить четыре взаимодействия и почему гравитационное взаимодействие стоит особняком.
Беда в том, что за последние 80 лет никто не смог дать описание гравитационного взаимодействия с точки зрения квантовой механики (даже Эйнштейн). Однако исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) предложили эксперимент, чтобы разрешить этот старинный спор и взяли два самых странных свойства квантовой теории.
Принцип суперпозиции
Согласно принципу суперпозиции, невозмущенная элементарная частица может быть описана как волна, которая с некоторой вероятностью может находиться в двух местах одновременно. Именно об этом говорит нам опыт с интерференцией электронов — поскольку электрон описывается волной, часть, которая проходит через одну щель, встречается с той частью, которая проходит через другую щель, и возникает хорошо известный узор из ярких и темных полос (интерференционная картина).
Квантовая запутанность
Второе странное свойство квантовой теории — квантовая запутанность. Две частицы могут быть настолько сильно взаимосвязаны, что ведут себя как единое целое и попытка узнать свойства одной из частиц автоматически меняет свойства другой, даже если частицы находятся на расстоянии многих тысяч световых лет.
Как физики описывают взаимодействия
В квантовой теории взаимодействие описывают через частицы-переносчики. Их называют «квантами поля», или, более корректно, калибровочными бозонами. Например, переносчик электромагнитного взаимодействия — фотон.
И действительно, именно фотоны соответствуют электромагнитным волнам (в том числе световым).
Проблема в том, что для гравитационного взаимодействия калибровочный бозон так и не был найден, поэтому такое взаимодействие описывают гипотетической частицей, называемой гравитоном.
Если гравитон действительно существует, для тел в поле тяжести должно наблюдаться явление квантовой запутанности — так же, как оно наблюдается для двух фотонов.
Как поможет маятник?
В эксперименте, придуманном в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), используется холодное облако атомов, заключенное внутри атомного интерферометра. Согласно принципу суперпозиции, если каждый атом в облаке находится в чистом невозмущенном квантовом состоянии, его можно описать как волну, равновероятно находящуюся как в левом, так и в правом плече интерферометра. Эти две части волны образуют интерференционную картину. Если гравитация как-то повлияет на атомы, мы сразу это увидим по изменениям интерференционной картины.
На выходе интерферометра подвешена небольшая «пробная масса» — маятник. Исследователи планируют наблюдать её отклонения — нужно проверить, действительно ли гравитация может вызвать квантовую запутанность между маятником и атомом.
Наблюдения не произошло
Интерференционная картина стабильна
Наблюдение произошло
Интерференционная картина изменилась
Эксперимент
Интерференционная картина должна изменяться каждые полпериода
«Распутывание» частиц
Если гравитация вызывает квантовую запутанность, маятник будет связан с определенным местоположением атома — «пробная масса» качнётся влево или вправо, в зависимости от того, в левом или в правом плече интерферометра находится атом.
Это будет означать, что маятник измерил местоположение атома, точно указав его определенную позицию внутри интерферометра. Поскольку атом больше не находится в суперпозиции (его местоположение точно определено и он со 100% вероятностью находится в левом или правом плече), интерференционная картина должна ослабнуть.
Спустя полпериода, когда маятник вернется в положение равновесия, «память» о запутанности потеряется, а значит, интерференционная картина восстановится. Спустя ещё полпериода колебания история повторится.
Такой эксперимент крайне сложно провести — авторы надеются провести его хотя бы через десять лет, однако прототип уже скоро будет готов.
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Чтобы писать комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
» Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации. Зарегистрируйтесь на портале чтобы оставлять комментарии
Материалы предназначены только для ознакомления и обсуждения. Все права на публикации принадлежат их авторам и первоисточникам. Администрация сайта может не разделять мнения авторов и не несет ответственность за авторские материалы и перепечатку с других сайтов. Ресурс может содержать материалы 16+
