Физики из Имперского колледжа: гравитация может быть побочным эффектом квантового хаоса

Физика зашла в тупик. Две ее главные теории — теория относительности Эйнштейна и квантовая механика — уже сто лет не могут поделить Вселенную. Первая утверждает, что пространство-время гладкое, как стекло. Вторая — что оно состоит из крошечных, неделимых «зерен». Попытки склеить их лбом приводят к математическому абсурду.

Но есть идея, которая переворачивает всё с ног на голову. Что, если гравитация — это не фундаментальная сила, а всего лишь побочный эффект, вроде тепла от работающего двигателя? Что, если пространство-время не «арена», а результат хаотичного движения квантовых частиц? Недавняя работа физиков из Имперского колледжа Лондона (Реймонд Исичеи и Жоао Магейжу) в журнале Physical Review Letters показывает, что эта безумная на первый взгляд гипотеза может объяснить главную загадку космоса — темную энергию. Правда, за это придется заплатить отказом от привычных законов физики.

Гравитация как пар из чайника

В чем суть? Представьте себе стакан воды. У молекулы воды нет свойства «текучести». Но когда их миллиарды, возникает поток. Это и есть эмерджентность — свойство, которого нет у частей, но есть у целого.

В 1995 году физик Теодор Якобсон предположил, что гравитация — это тоже эмерджентное свойство. Он «приписал» микроскопическим элементам пространства температуру и энтропию (меру хаоса). И вывел уравнения Эйнштейна как обычные уравнения термодинамического равновесия. Проще говоря: то, что мы называем искривлением пространства, — это реакция системы на перераспределение тепла между невидимыми частицами.

Но была проблема. Модель Якобсона была «мертвой». Пространство могло только греться и остывать (теплообмен), но не могло совершать работу. А без работы нет жизни. Исичеи и Магейжу исправили это. Они добавили в уравнения химический потенциал — параметр, который описывает, сколько энергии нужно, чтобы добавить или убрать один квант пространства.

Личное наблюдение автора: Недавно я заметил, что в физике работает тот же принцип, что и в бизнесе. Пока система просто «обменивается теплом» (читай: тратит время на совещания), она статична. Как только она начинает совершать работу (производить продукт), появляются новые свойства. Пространство-время, судя по всему, тоже работает.

Двигатель Вселенной: как работает цикл Отто

Исследователи описали процесс, используя концепцию «причинного алмаза» — строго ограниченной области пространства-времени. Они заставили этот алмаз пройти через четыре стадии: нагрев, расширение, охлаждение, сжатие. Это классический термодинамический цикл Отто — как в бензиновом двигателе вашего автомобиля.

И вот тут началось самое интересное. Когда ученые подставили данные в уравнения, они получили не классическую теорию Эйнштейна, а нечто новое. В ней появились слагаемые, которые меняют всё.

В чем главное открытие? Чтобы двигатель работал, нужно нарушить два священных правила физики XX века:

• Локальная лоренц-инвариантность. Раньше считалось, что законы физики одинаковы для всех, независимо от скорости. Теперь выясняется, что у пространства-времени есть «выделенная» система отсчета. Если вы летите через нее с большой скоростью, законы слегка меняются. Это как двигаться сквозь воду — вы чувствуете сопротивление, которого нет в вакууме.
• Закон сохранения энергии. Это самое страшное для физиков. Оказывается, энергия может «утекать» из нашего макромира в микроскопическую квантовую среду и обратно. Для нас это выглядит как рождение частиц буквально из пустоты.

Темная энергия как «налог на неэффективность»

В конце 1990-х астрономы выяснили, что Вселенная расширяется с ускорением. Чтобы это объяснить, придумали «темную энергию» — загадочную силу, распирающую пространство. Проблема в том, что расчеты этой энергии дают цифру, превышающую наблюдения в 10¹²⁰ раз. Это называется «катастрофа космологической константы» — крупнейший провал в истории физики.

Модель Исичеи и Магейжу решает эту проблему без привлечения темной энергии. Вот как это работает:

1. Вселенная расширяется. Ее «причинные алмазы» совершают термодинамическую работу.
2. Из-за нарушения закона сохранения энергии, эта работа приводит к медленному рождению новой материи.
3. Появление новой материи создает избыточное давление, которое и ускоряет расширение.

Темная энергия оказывается не магической субстанцией, а макроскопическим проявлением «неэффективности» космоса. Пространство-время работает как старый, дышащий на ладан двигатель, который теряет энергию на трение. И это трение мы и принимаем за ускорение.

Почему мы этого не замечаем? (И главная проблема теории)

Если законы сохранения нарушаются, почему мы не видим этого в лаборатории? Ответ — в масштабах. Теория оперирует двумя величинами. Первая — планковская длина (микроскопическая). Вторая — новый космологический масштаб, который определяет «эффективность» цикла.

Расчеты показывают, что этот масштаб должен быть миллиарды световых лет. Наша Вселенная как тепловая система имеет ничтожный КПД. За всю историю человечества отклонения от теории Эйнштейна так малы, что их невозможно измерить. Это как пытаться заметить, что стакан воды испарился за одну секунду.

Но есть загвоздка. Чтобы теория работала на уровне Солнечной системы (и не противоречила данным по орбитам планет), второй масштаб должен быть 10 триллионов световых лет. А чтобы объяснить ускорение Вселенной — всего 10 миллиардов. Разница в тысячу раз.

Авторы предлагают выход: возможно, законы сохранения нарушаются не для всей материи одинаково. Если новая энергия рождается исключительно в виде частиц темной материи, то обычное вещество (Солнце, Земля, планеты) не испытывает никаких аномалий. В этом случае модель объясняет сразу две загадки: и темную энергию, и темную материю.

Резюме от автора. Теория эмерджентной гравитации — это красивая попытка зашить дыру в фундаменте физики. Она изящно решает проблему темной энергии, но требует от нас смириться с мыслью, что наши «священные» законы — лишь приближение. Пространство-время не вечно. Оно — временный порядок, возникающий из хаоса. И, как любой порядок, однажды он может закончиться.

По материалам: iXBT