Честичките, можеби, сепак, не се движат по „патеката“ на Ајнштајн

Физичарите долго време се мачат да ја спојат квантната механика т.е. теоријата за ситните честички – со Ајнштајновата теорија за гравитација, којашто го објаснува однесувањето на ѕвездите, планетите и структурата на универзумот. Истражувачите од Техничкиот универзитет во Виена (ТУ Виена) направија нов чекор во таа насока, преку преиспитување на една од основните идеи на релативноста – патеките по коишто честичките се движат низ закривеното простор-време.

Тоа е еден од најголемите нерешени предизвици во современата физика – спојувањето на тие две моќни теории што би требало да објаснат многу различни делови од реалноста. Квантната теорија со извонредна прецизност го објаснува однесувањето на екстремно малите честички; општата теорија на релативноста на Алберт Ајнштајн, пак, ја опишува гравитацијата и движењето на вселенските тела. Сепак, и покрај нивната општа прифатеност во науката, овие две рамки сè уште не се целосно усогласени. Физичарите предложија неколку можни начини за нивно спојување во една теорија. Идеите како теоријата на струни, квантната гравитација во јамки (loop quantum gravity), дефинираната квантна гравитација и асимптотски безбедната гравитација – сите се обидуваат да го премостат овој јаз. Она што им недостасуваше на истражувачите досега е јасен ефект што може да се набљудува и мери во експерименти, за да се утврди која теорија најдобро одразува како всушност функционира природата.

Преку креирање на квантна верзија на Ајнштајновите патеки – наречена „кју-дезик“ равенка (q-desic), тимот покажа дека честичките што се движат низ „квантно“ простор-време можат малку да отстапуваат од патеките предвидени со класичната релативност.

– Тоа е малку како бајката „Пепелашка“, вели Бенџамин Кох од Институтот за теоретска физика при ТУ Виена. – Има неколку „кандидатки“ (меѓу теориите, з.п.), но само една од нив може да биде „принцезата“ што ја бараме. Во квантната гравитација, за жал, сè уште не сме го нашле „чевелот на нашата Пепелашка“ – набљудувана вредност што јасно ќе ни каже која теорија е вистинската.

За да идентификуваат соодветно мерлив начин за тестирање на различните теории, истражувачите се сосредоточија на централниот концепт во релативноста наречен геодезиски линии.

– Практично сè што знаеме за општата релативност се потпира на интерпретацијата на геодезиските линии, објаснува Кох.

Геодезиската линија ја опишува најкратката патека меѓу две точки. На рамна површина, таа патека е едноставно права линија. На закривени површини, случајот е посложен. Патувањето од Северниот до Јужниот Пол по површината на Земјата, на пр., претставува полукруг, што е најкратката можна патека на сфера.

Ајнштајновата теорија ги поврзува просторот и времето во единствена четиридимензионална структура наречена простор-време. Масивните објекти како ѕвездите и планетите го закривуваат ова простор-време. Според општата релативност, Земјата кружи околу Сонцето бидејќи масата на Сонцето го свиткува простор-времето и ја обликува патеката на Земјата во својата орбита.

Точната форма на овие патишта зависи од нешто што се нарекува метрика, што ја мери силината на закривеноста на простор-времето.

– Сега можеме да се обидеме да ги примениме правилата на квантната физика на оваа метрика. Во квантната физика, честичките немаат ни прецизно дефинирана положба, ниту прецизно дефиниран импулс. Наместо тоа, и двете се опишани со дистрибуции на веројатност. Колку попрецизно знаете едно од нив, толку понејасно и понеизвесно станува другото, објасни Кох.

Квантната теорија ги заменува прецизните својства на честичките со математички објекти познати како бранови функции. На сличен начин, физичарите можат да се обидат да ја заменат класичната метрика на релативноста со квантна верзија. Ако тоа се случи, закривеноста на простор-времето веќе не е совршено дефинирана во секоја точка.

Тимот научници успеа да ја квантизира метриката користејќи нов метод за специфичен случај, а тоа е гравитационото поле коешто останува константно.

– Новата „кју-дезик“ равенка покажува дека во квантно простор-време, честичките не се движат секогаш точно по најкратката патека меѓу две точки, како што би предвидела класичната геодезиска равенка, подвлече Кох.

Меѓутоа, Ајнштајновите равенки вклучуваат и друг фактор познат како космолошка константа, често поврзуван со „темната енергија“. Оваа компонента е одговорна за забрзаното ширење на универзумот. Кога истражувачите ја внесоа космолошката константа во нивната „кју-дезик“ равенка, резултатите драматично се променија.

Отстапувањата се појавуваат и на екстремно мали растојанија и на многу големи космички размери.

– Кога станува збор за орбитата на Земјата околу Сонцето, практично нема разлика. Но, на многу големи космолошки размери – онаму каде што главните загатки на општата релативност остануваат нерешени постои јасна разлика. Ова истражување воведува нова математичка рамка за поврзување на квантната теорија и гравитацијата. Што е уште поважно, тоа може да понуди насока кон споредување на теоретските предвидувања со реалните набљудувања. Сега треба подробно да го анализираме ова, но тоа ни дава надеж дека со понатамошен развој на овој пристап може да добиеме нов и експериментално проверлив увид во важни вселенски појави – како што е сè уште нерешената загатка за брзините на ротација на спиралните галаксии, додаде Кох.

Физичарите можеби конечно идентификуваа мерлива трага што може да помогне да се разликуваат „соперничките“ теории за квантната гравитација. Следниот чекор, можеби, според научниците, е да се утврди вистинската теорија којашто ќе ѝ одговара на науката.