Математическое открытие может пролить свет на тайны Вселенной

Как объединить теорию гравитации Эйнштейна с квантовой механикой? Эта задача может дать нам глубокое понимание таких явлений, как черные дыры и рождение Вселенной. В новой статье в журнале Nature Communications, написанной исследователями из Технологического университета Чалмерса (Швеция) и Массачусетского технологического института (США), представлены результаты, которые проливают новый свет на важные проблемы в понимании квантовой гравитации.

Грандиозной задачей современной теоретической физики является поиск "единой теории", которая могла бы описать все законы природы в единых рамках - соединить общую теорию относительности Эйнштейна, которая описывает Вселенную в больших масштабах, и квантовую механику, которая описывает наш мир на атомном уровне. Такая теория "квантовой гравитации" будет включать в себя как макроскопическое, так и микроскопическое описание природы.

"Мы стремимся понять законы природы, а язык, на котором они написаны, - это математика. Когда мы ищем ответы на вопросы в физике, нас часто приводят к новым открытиям и в математике. Это взаимодействие особенно заметно в поисках квантовой гравитации - там, где крайне сложно проводить эксперименты", - объясняет Даниэль Перссон, профессор кафедры математических наук технологического университета Чалмерса.

Примером явления, требующего такого рода унифицированного описания, являются черные дыры. Черная дыра образуется, когда достаточно тяжелая звезда расширяется и разрушается под действием собственной гравитационной силы, так что вся ее масса концентрируется в чрезвычайно малом объеме. Квантово-механическое описание черных дыр все еще находится в зачаточном состоянии, но включает в себя впечатляющую продвинутую математику.

Упрощенная модель квантовой гравитации

"Задача состоит в том, чтобы описать, как гравитация возникает как "эмерджентное" явление. Подобно тому, как повседневные явления - например, течение жидкости - возникают из хаотического движения отдельных капель, мы хотим описать, как гравитация возникает из квантово-механической системы на микроскопическом уровне", - говорит Роберт Берман, профессор кафедры математических наук Технологического университета Чалмерса.

В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, Даниэль Перссон и Роберт Берман вместе с Тристаном Коллинзом из Массачусетского технологического института в США показали, как гравитация возникает из особой квантово-механической системы, в упрощенной модели квантовой гравитации, называемой "голографическим принципом".

"Используя методы из математики, которые я исследовал ранее, нам удалось сформулировать объяснение того, как возникает гравитация с помощью голографического принципа, более точным образом, чем это было сделано ранее", - объясняет Роберт Берман.

Колебания темной энергии

Новая статья также может дать новое понимание загадочной темной энергии. В общей теории относительности Эйнштейна гравитация описывается как геометрическое явление. Подобно тому, как только что застеленная кровать прогибается под весом человека, тяжелые предметы могут изгибать геометрическую форму Вселенной. Но согласно теории Эйнштейна, даже пустое пространство - "вакуумное состояние" Вселенной - имеет богатую геометрическую структуру. Если бы вы могли увеличить масштаб и посмотреть на этот вакуум на микроскопическом уровне, вы бы увидели квантово-механические колебания или пульсации, известные как темная энергия. Именно эта таинственная форма энергии, с более широкой точки зрения, ответственна за ускоренное расширение Вселенной.

Эта новая работа может привести к новому пониманию того, как и почему возникают эти микроскопические квантово-механические пульсации, а также взаимосвязи между теорией гравитации Эйнштейна и квантовой механикой, что ускользало от внимания ученых на протяжении десятилетий.

"Эти результаты открывают возможность проверить другие аспекты голографического принципа, например, микроскопическое описание черных дыр. Мы также надеемся, что в будущем сможем использовать эти новые связи для новых открытий в математике", - говорит Даниэль Перссон.

Научная статья "Эмерджентная геометрия Сасаки-Эйнштейна и AdS/CFT" опубликована в журнале Nature Communications и написана Робертом Берманом, Тристаном Коллинзом и Даниэлем Перссоном из Технологического университета Чалмерса, Швеция, и Массачусетского технологического института, США.