Пространство-времето ще се изкривява в лаборатория

Всички разговори в квантовата физика така или иначе се свеждат до квантовата теория на полето.

В нейната основа лежи общата идея за това, че квантовите частици представляват локализирано възбудено състояние на общото квантово поле – сложна, но математически полезна идея, която до невъзможност сложно взаимодейства с класическите представи за пространство-времето на Айнщайн.

Гравитацията, както гласи теорията, е резултат от кривината на неизразимата среда на пространство-времето и съвременната квантова физика гласи, че изкривеното пространство-време трябва да влияе на поведението на хипотетичното квантово поле.

Точното разбиране на тяхното взаимодействие остава един от най-сложните въпроси във физиката, нещо като Свещен граал. Освен това изключително сложно е да се изучава това взаимодействие в лаборатория. Но физиците искат да поправят това досадно недоразумение, както съобщава ExtremeTech.

Да се изкриви пространство-времето по изкуствен път, е изключително трудно. В класическото разбиране това е доста просто да се направи – достатъчно е да се събере на едно място много маса, но за построяване на кривата, която ще бъде достатъчна за измерване на ефектите на всяка квантова частица, ще е необходима плътност, която може да се намери само редом до черна дупка (теоретично).

Изкривяване на пространство-времето с магнитни полета или екзотични материи също се предполага, например от НАСА, и такава технология ще позволи буквално да се създаде уарп двигател, ако изобщо е възможно той да се създаде.

Вместо да изясни как още може да се огъне пространство-времето, немският учен Никодим Шпак, изглежда, е открил вратичка, която позволява да се изучат ефектите на изкривеното пространство-време, без то да се изкривява.

И така, за да продължите да четете, ще са ви необходими познания по висша математика или просто да повярвате в следното заявление: свръхстудени атоми (тъй като топлината е движение на атомите, то нашите атоми ще бъдат свръхстационарни), попадайки в специална оптична решетка (лазерно поле), демонстрират поведение, което може да се свърже с движението на квантовите частици в пространство-времето. Изречението се получи дълго, така че нека го разгледаме на части.

Първо, атомите и решетката. Тази техника използва няколко лазера за създаването на сложна интерференционна картина с определени пикове и спадове – райони с висока или ниска интензивност на енергията.

Свръхстудените атоми (охладени до възможния минимум малко над абсолютната нула) попадат в падините по законите на термодинамиката и тъй като са свръхстационарни, квантовата механика подсказва, че те трябва да са в състояние да „тунелират“ от място на място.

Атомите трябва да бъдат охладени максимално, затова всичките им възможни движения могат да се обяснят само с този тунелиращ ефект. Ако това е така, то общият механизъм на движение през решетката може да бъде представен с взаимодействието на квантовото поле и пространство-времето.

Всъщност единственото, което трябва да се разбере тук, е това, че създавайки решетка от пикове и спадове, по която може да се движат атомите, учените могат да изменят стойностите на своята метафора на пространство-време.

Една решетка може да имитира взаимодействие на квантовото поле с плоско пространство-време, друга може да имитира сериозно изкривяване на пространството от рода на точки близо до повърхността на звезди.

Възможните последствия от това изследване е един от тези пробиви, които могат да отворят вратите към нови сфери на изследване. Възможността да се изучи взаимодействието на квантовата теория на полето и общата теория на относителността (в частност нейното следствие – гравитацията) дори косвено впоследствие може да доведе до създаване на велика теория на всичко.

Използвайки метафора на кривината на пространство-времето, без да изменят тази кривина сама по себе си, учените успели да дадат на учените начин в бъдеще да имитират състоянието на пространство времето на хоризонта на събитията на черна дупка или в първите моменти след Големия взрив.

Всичко, което ще бъде необходимо, е правилната интерференционна картина, която ще позволи да се контролира разпределението на най-вероятните тунелни падини. Бавно изменяйки интерференционната картина, учените дори ще могат да видят последствията от непрекъснатите изменения в това пространство-време – от рода на разширение на Вселената след Големия взрив.

Няма никаква възможност да се прогнозира как физиците могат да приложат всичко това, но засега планът изглежда доста обещаващ. Взаимодействието между квантовите явления и общата теория на относителността е работа за Нобелови лауреати на бъдещето, тоест това е физика от най-високо съвременно ниво.

Ще стане ли тази работа фундамент за бъдещи теории на великото обединение? Възможно е. Или поне ще проясни как да се свържат квантовата и релативистката физика. Макар и мъничко.