Червоточина внутри атома: как обычный водород проверяет главную гипотезу квантовой гравитации

Объединение квантовой механики и теории относительности остается главной нерешенной задачей теоретической физики. Две эти теории описывают мир на разных масштабах: первая работает со сверхмалыми частицами, вторая — с огромными массами и гравитацией. В 2013 году физики Хуан Малдасена и Леонард Сасскинд предложили гипотетическое решение этой проблемы, которое получило название «ER = EPR».

Эта аббревиатура связывает два фундаментальных физических явления. Левая часть уравнения (ER) означает мосты Эйнштейна — Розена. Это пространственные туннели, или червоточины, которые теоретически могут соединять удаленные точки Вселенной. Правая часть (EPR) обозначает квантовую запутанность — состояние, при котором физические свойства двух частиц оказываются неразрывно связанными, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились. Гипотеза утверждает, что квантовая запутанность и пространственные туннели — это два разных описания одного и того же физического процесса. Простыми словами, любые две запутанные частицы соединены между собой микроскопической червоточиной.

Долгое время эту гипотезу считали непроверяемой. Физические процессы квантовой гравитации происходят на масштабах планковской длины — около 10 в минус 35-й степени метра. Это слишком мало, чтобы ученые могли зафиксировать их напрямую с помощью современных приборов или ускорителей частиц. Однако физики Ирфан Джавед и Эдвард Вилсон-Юинг из Университета Нью-Брансуика рассчитали метод, который позволяет проверить эту гипотезу косвенным путем. Для этого они предложили использовать физические свойства атома водорода — самого простого и наиболее изученного химического элемента во Вселенной.

Физический механизм: изменение электрического полей

Чтобы понять суть эксперимента, необходимо обратиться к поведению электрического поля заряженных частиц. Любая заряженная частица, например электрон, окружена электрическим полем. Сила этого поля определяет, как сильно частица притягивает или отталкивает другие заряды.

Согласно законам классической электродинамики, весь электрический заряд частицы определяет силу ее поля в окружающем пространстве. Однако авторы нового исследования предположили, что присутствие квантовой червоточины меняет эту картину.

Когда две частицы квантово запутаны, пространство между ними прошивает микроскопический туннель. Горловина этого пространственного коридора находится непосредственно у электрона. Фундаментальный принцип сохранения электричества обязывает поле распространяться по всем доступным путям, из-за чего часть силовых линий частицы неизбежно уходит внутрь туннеля.

Из нашего обычного трехмерного пространства заглянуть внутрь червоточины невозможно, поэтому для внешнего прибора этот процесс выглядит как ослабление окружающего поля. При любых измерениях со стороны будет казаться, что электрон частично лишился своего базового заряда.

Этот эффект описывается формулой: q_e = -e / (1 + s / (pi * alpha²)), где q_e — измененный заряд электрона, e — его исходный заряд, s — уровень квантовой запутанности, pi — число пи, а alpha — специальный безразмерный параметр альфа. Этот параметр определяет, насколько сильно электрическое поле уходит внутрь туннеля. Если этот параметр стремится к бесконечности, поле не проникает в червоточину вовсе. Если же он равен единице, как предполагали ранние теоретические модели, то утечка поля должна быть достаточно сильной, чтобы ее можно было зафиксировать приборами.

Асимметрия между электроном и протоном

Структура водорода базируется на паре ключевых компонентов: положительном ядре-протоне и обладающем отрицательным зарядом электроне, совершающем непрерывное движение по внешней орбитали. Так как они объединены в рамки единой микросистемы, между ними неизбежно возникает квантовое сопряжение. Исследователи задумались над важным моментом: по какой причине электромагнитные силовые линии теряются в червоточине лишь у электрона, тогда как протон полностью сохраняет свое излучение?

Причина заключается в принципиальном различии внутренней структуры этих частиц и их размеров:

1. Электрон является фундаментальной точечной частицей. У него нет внутренней структуры и измеримого физического размера. Он занимает сверхмалый объем пространства, что позволяет ему находиться непосредственно у входа в квантовую червоточину.
2. Протон — это сложная составная частица. Он состоит из более мелких компонентов — кварков и глюонов. Физический радиус распределения электрического заряда внутри протона составляет около 0,84 на 10 в минус 15-й степени метра.

Поскольку радиус протона на двадцать порядков превышает планковскую длину (характерный размер входа в червоточину), его заряд распределен по слишком большой области пространства. Он физически не может сосредоточиться у входа в микроскопический туннель. Из-за этого электрическое поле протона практически не уходит внутрь червоточины. В результате возникает физическая асимметрия: эффективный заряд электрона уменьшается, а заряд протона остается прежним.

Влияние на энергетический спектр атома

Колебания электростатической напряженности, создаваемой легкой частицей, напрямую отражаются на параметрах всей водородной системы. Взаимное кулоновское сцепление между положительным ядром и отрицательным спутником становится слабее. Это приводит к двум проверяемым последствиям:

• Увеличение расстояния между частицами. Поскольку электрическое притяжение ослабевает, среднее расстояние от электрона до ядра увеличивается. Физики называют эту величину боровским радиусом атома.
• Изменение магнитных взаимодействий. Электрон и протон обладают собственным моментом вращения — спином. Из-за этого они ведут себя как микроскопические магниты. Энергия атома зависит от того, сонаправлены эти магнитные поля или направлены в противоположные стороны. Разница между этими энергетическими состояниями называется сверхтонким расщеплением.

Именно сверхтонкое расщепление отвечает за излучение водорода на частоте, соответствующей длине волны 21 сантиметр. Это излучение играет ключевую роль в радиоастрономии: с его помощью ученые определяют структуру галактик и распределение вещества во Вселенной.

Физики умеют измерять длину волны этого излучения с высокой точностью — до двенадцати знаков после запятой. Если бы электрическое поле электрона уходило в червоточину, это изменило бы расстояние между частицами, ослабило магнитное взаимодействие и сдвинуло бы частоту излучения.

Отсутствие подобных отклонений в результатах многолетних наблюдений позволило авторам работы рассчитать минимальную границу для параметра альфа. Расчеты показали, что этот параметр должен быть больше 10 в шестой степени (одного миллиона). Это полностью опровергает ранние предположения о том, что эффект должен иметь масштаб единицы.

Нарушение электрической нейтральности водорода

Еще один барьер обусловлен фундаментальным принципом неизменности суммарного электричества. В стабильном состоянии водород полностью сбалансирован: плюсовой потенциал ядра до мельчайших долей компенсирует минусовой заряд легкого спутника. В случае, когда концепция ER = EPR справедлива, и часть силовых линий легкой частицы теряется в туннеле, пока поле ядра сохраняет свою целостность, это равновесие рушится. При взгляде со стороны регистрируемый минус электрона идет на спад, тогда как плюсовой потенциал ядра не претерпевает изменений. В итоге исходно сбалансированная система должна приобрести хоть и малый, но вполне реальный общий плюсовой избыток

Если гипотеза ER = EPR верна и часть поля электрона уходит в червоточину, а поле протона остается неизменным, то баланс нарушается. Для внешнего наблюдателя отрицательный заряд электрона уменьшается, а положительный заряд протона остается прежним. В результате нейтральный атом водорода должен приобрести небольшой суммарный положительный заряд.

Физики регулярно проводят эксперименты по проверке электрической нейтральности вещества. На сегодняшний день установлено, что суммарный заряд атома водорода не может превышать 10 в минус 20-й степени от заряда электрона. Этот показатель фактически равен нулю в пределах погрешности приборов.

Чтобы теоретическая утечка поля в червоточину не нарушала экспериментально доказанную нейтральность водорода, параметр альфа должен быть чрезвычайно велик. Физики рассчитали, что его значение должно превышать 10 в девятой степени (один миллиард).

Значение для физической науки

Результаты исследования Джаведа и Вилсона-Юинга накладывают жесткие рамки на дальнейшее развитие теории квантовой гравитации.

Они не закрывают гипотезу ER = EPR, но показывают, что квантовые червоточины должны быть изолированы от внешней среды гораздо сильнее, чем считалось ранее. Пространственные туннели практически не должны взаимодействовать с электромагнитными полями обычных частиц. Любая новая физическая теория, пытающаяся объединить гравитацию и квантовую механику, должна математически объяснять, почему эта изоляция настолько эффективна.

Кроме того, работа канадских ученых демонстрирует важность высокоточных измерений. Физикам не всегда нужны сверхмощные коллайдеры для проверки законов квантовой гравитации. Иногда достаточно глубокого понимания процессов, происходящих внутри самого простого атома Вселенной.

Источник:arXiv