Мечтата на физиците от 20 и 21-ви век е да обединят големите физически теории на Общата теория на относителността и квантовата механика, да ги направят една „обединена теория на всичко“.

Това би било теория, която може да опише всички природни закони в една рамка – свързваща Общата теория на относителността на Айнщайн, която описва Вселената в голям мащаб (където гравитацията е всеопределящата сила), и квантовата механика, която описва нашия свят на атомно ниво. В продължение на десетилетия са правени много опити за комбиниране на двете теории, но досега те са се проваляли, главно защото не са достигнали до квантовата гравитация, описание на гравитацията с помощта на частици, носители на силата, в случая на гравитацията, наречени гравитони.

Но това може скоро да се промени, тъй като изследователи от Университета Чалмърс и авторитетния Масачузетски технологичен институт твърдят в наскоро публикувана статия, която обяснява как може да се комбинират макроскопските и микроскопични описания на природата.

Новата статия, публикувана в Nature Communications, представя резултати, които хвърлят нова светлина върху важни предизвикателства в разбирането на квантовата гравитация.

„Стремим се да разберем законите на природата и езикът, на който са написани, е математиката. Когато търсим отговори на въпроси във физиката, често ни водят до нови открития и в математиката. Това взаимодействие е особено забележимо при търсенето на квантовата гравитация – където е изключително трудно да се правят експерименти“, обяснява Даниел Персън (Daniel Persson), професор в катедрата по математически науки в Технологичния университет Чалмърс.

Отправната точка на изследователите е т. нар. „холографски принцип“, който е разработен от нидерландеца и носител на Нобелова награда Герардус 'т Хоофт (Gerardus 't Hooft), който гласи, че едно пространство може да бъде напълно описано от теориите в краищата на това пространство (например хоризонта на събитията на черна дупка) и че в такава теория на ръбовете има най-много една степен на свобода за „пространството на Планк“.

Опростен модел за квантовата гравитация

Базирайки се на нови математически прозрения и този холографски принцип, Робърт Бърман (Robert Berman), професор в Катедрата по математически науки в Технологичния университет Чалмърс и неговите колеги вече са достигнали до описанието на „пораждащата се гравитация“.

„Предизвикателството е да се опише как възниква гравитацията като „пораждащ“ феномен. Точно както ежедневните явления, такива като поток от течност, възникват от хаотичните движения на отделни капчици, ние описваме как гравитацията се появява от квантовата механична система на микроскопично ниво“, обяснява Робърт Бърман. „Използвайки техники от математиката, които съм изследвал преди, успяхме да формулираме обяснение за това как гравитацията се появява чрез холографския принцип, по по-точен начин, отколкото беше правено преди.“

В статия от 2016 г. професор Ерик Верлинде (Erik Verlinde), известен експерт в струнната теория от Университета в Амстердам, разширява своите новаторски виждания за тази пораждаща се гравитация - от микроскопични процеси гравитацията може да се появи като макроскопично явление.

Според холографския принцип за математическото описание на Вселената е достатъчна информацията, съдържаща се във външната й граница. Верлинде показва, че тази идея не е съвсем коректна, част от информацията в нашата Вселена се съдържа в самото пространството.

Тази допълнителна информация е необходима, за да се опише другата тъмна съставка на Вселената - тъмната енергия, която се смята, че отговаря за ускорено разширяване на Вселената. Изследвайки последствията от въздействието на тази допълнителна информация за обикновената материя, Верлинде идва до зашеметяващ извод.

Ако обикновената сила на гравитацията може да бъде закодирани с помощта на информацията от въображаемата сфера около Вселената, то резултат от допълнителната информация в обема на пространството представлява взаимодействие, което добре съвпада с приписваната сила на тъмната енергия.

Пулсации от тъмна енергия

Изследователите Персън и Бърман смятат, че дори тъмната енергия - мистериозната сила, която ускорява разширяването на Вселената - може да се обясни с тяхната теория.

В Общата теория на относителността на Айнщайн гравитацията е описана като геометричен феномен и според теорията на Айнщайн дори празното пространство – „вакуумното състояние“ на Вселената – има богата геометрична структура. Ако можете да увеличите и погледнете този вакуум на микроскопично ниво, ще видите квантово-механични флуктуации или вълни, известни като тъмна енергия. Именно тази мистериозна форма на енергия, от по-широка перспектива, е отговорна за ускореното разширяване на Вселената.

Тази нова работа може да доведе до нови прозрения за това как и защо възникват тези микроскопични квантовомеханични вълни, както и връзката между теорията на гравитацията на Айнщайн и квантовата механика, нещо, което убягва на учените от десетилетия.

„Тези резултати отварят възможността за тестване на други аспекти на холографския принцип, като микроскопичното описание на черните дупки. Надяваме се също така да можем да използваме тези нови връзки в бъдеще, за да развием нови основи в математиката“, отбелязва Даниел Персон.

“Emergent Sasaki-Einstein geometry and AdS/CFT” by Robert J. Berman, Tristan C. Collins and Daniel Persson, 18 January 2022, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-021-27951-9

Mathematical discovery could shed light on secrets of the Universe, Chalmers University Of Technology