Квантова механика или теория на относителността?

Най-често въпросите, които се задават през деня, са поставени доста конкретно. Обядвахте ли? Колко е часът? И т.н.

Но когато започваме да се замисляме за доста по-сериозни въпроси – например могат ли да бъдат обединени квантовата механика и общата теория на относителността – самоувереността ни спада.

Какво прави квантовата механика с планетите? Само в общата теория на относителността ли енергията е равна на масата, умножена по скоростта на светлината на квадрат?

Преди да започнем да решаваме неразрешимата Вселена, нека да разберем компонентите.

За начало да вземем квантовата механика. Добре е да започнем с нея, тъй като тя изучава нещо изключително малко – веществото и излъчването на атомни и субатомни нива. Когато учените започнали да разбират атомите, станало ясно, че старата физика се нуждае от поправки.

Защото, когато учените гледали атомите, те се държали не както Вселената. Например електроните не се въртят около ядрото както планетите, които се въртят около Слънцето – ако се въртяха така, те биха паднали върху ядрото.

Станало очевидно, че класическата физика не работи на атомни мащаби. Квантовата механика възникнала от необходимостта да се разбере защо малките явления се случват не както големите в науката. В резултат сме изяснили, че фотонът има свойствата на частица (която носи маса и енергия) и вълна (която носи само енергия). Това било нещо като революция. Фотонът може да бъде в две форми едновременно. А това значи, че най-малките части на Вселената се държат непредсказуемо.

Всичко е относително

Сега разбираме, че квантовата механика съществено е подкопала нашето разбиране за Вселената (особено на малки мащаби). Частиците например могат да бъдат вълни. За всеобщо удоволствие се появил и принципът на неопределеността на квантовата механика, който подсказва, че ние не можем да знаем едновременно положението на частицата и скоростта на нейното въртене.

На Айнщайн това изобщо не му харесало. Самата идея, че не можем да определим къде е частицата и какво прави тя, трябва да бъде доста тревожна за физиката, която се опитва да определи как работи Вселената – каквото и правел Айнщайн, работейки над общата теория на относителността.

Общата теория на относителността имала две големи идеи – едната за пространство-времето, другата за гравитацията. Както виждаме, пространството и времето се намират във фонов режим. Те са фиксирани (и отчасти монолитни). Те съществуват хронологично. В общата теория на относителността пространството и времето представляват едно цяло, така нареченото пространство-време. Но ако пространство-времето може да бъде голямо, то не се намира във фонов режим. В теорията на относителността материята може да влияе върху пространство-времето. Това означава, че вие и съществуващата материя променяте пространството и времето.

Да, но не съвсем. Всъщност само големите неща създават пространствено-времеви изкривявания. Слънцето, например. Какво означава това? Малките планети „падат“ на Слънцето. И това ни води към гравитацията. Всъщност общата теория на относителността означава не само това, че Айнщайн е потупал Нютон по рамото, но ни е дал причина за гравитацията – изкривяване на пространство-времето, предизвикано от гравитацията и кара Вселената да бъде такава, каквато е.

В какво е проблемът? Айнщайн ни е показал умопомрачителна картина на работата на Вселената; квантовата механика ни е демонстрирала как работят частиците на атомно и субатомно ниво. За съжаление едното не обяснява другото. Значи трябва да има голяма теория, която ги обединява… или не.

Състои ли се светът от струни?

Не можем да разберем как квантовата механика и общата теория на относителността могат да се обединят, ако те още не са направили това досега. Затова, ако една от страните е права, другата няма да работи както трябва.

Айнщайн е казал, че пространство-времето е гладко и равномерно и само големи тела могат да го изкривяват. Квантовата механика нарежда, че малките частици на Вселената постоянно и непредсказуемо флуктуират и се променят.

Ако квантовата механика е права и всичко се намира в постоянно движение, гравитацията няма да работи така, както е предсказвал Айнщайн. Пространство-времето ще се намира в постоянно противоречие с всичко наоколо и ще се държи по съответен начин. Освен това квантовата механика говори, че вие не можете да установите ред с пълна сигурност. Само ще предсказвате вероятности.

От друга страна, ако общата теория на относителността е вярна, материята не флуктуира толкова диво и постоянно. В даден момент ще имате възможност да знаете къде се намира материята и накъде се движи. Но това противоречи на квантовата механика.

Не се вълнувайте, учените все още се опитват да намерят начин да помирят двата враждуващи лагера. Един от фаворитите е теорията на струните, в която се казва, че вместо частици действа точка, която всъщност се явява струна. Това означава, че тя може да се вълнува и движи, да се огъне и т.н.

Също така тя може да предава гравитацията на квантово ниво. Това дава възможност да се опипат ходове  за обединяването на квантовата механика с общата теория на относителността. Но имайте предвид, че теорията на струните никога не е била потвърдена в нито един експеримент – и много спорове се разгорещяват на тема, може ли тя принципно да се потвърди.

Ако такъв експеримент се състои, то вероятно ще бъде на ускорител на частици. Там могат да бъдат открити суперпартньори. Суперпатньорите са част от теорията на струните, която ни казва, че всяка частица си има суперсиметрична частица партньор (например електрон и селектрон, гравитон и гравитино). През 2012 г. беше открит Хигс бозонът, а той работи в полза на теорията на струните.

Спинът също може да помогне в експериментите с квантовото заплитане. В малки мащаби той работи добре, но учените много искат да изпратят фотони в Космоса и обратно, за да измерят как работи на големи разстояния.

Можем да вземем и черните дупки и с тяхна помощ да създадем „теория на всичко“. В черните дупки се съхраняват както големи неща (звезди), така и малки (частици). Ако успеем да разберем какво се случва, когато голямото стане малко, вероятно ще помирим квантовата механика и общата теория на относителността.