Гравитация ведёт себя прилично... пока не доберёшься до планковского масштаба. Там она сходит с ума. Но одна учёная укротила этот хаос
NewsMakerОказывается, на самых мелких масштабах законы физики снова устойчивы и нерушимы.
Если увеличивать привычный мир шаг за шагом, картина довольно быстро перестает быть привычной. Гладкий экран распадается на молекулы, молекулы — на атомы, атомы — на ядра и электроны, а внутри ядра обнаруживаются кварки. На каждом новом уровне физика меняет масштаб, но сохраняет рабочие правила: ученые понимают, как ведут себя частицы и как пересчитывать силу взаимодействий. Проблемы начинаются ещё глубже, на расстояниях настолько малых, что привычные формулы для гравитации перестают работать. Именно с этой границы и начинается работа Астрид Айххорн , теоретика из Гейдельбергского университета.
Речь идет о планковском масштабе, предельной области современной физики. В обычной жизни гравитация кажется очень слабой по сравнению с другими фундаментальными силами. Магнит легко поднимает скрепку, несмотря на притяжение всей Земли. Но при переходе к предельно малым расстояниям картина меняется. Квантовые колебания становятся настолько сильными, что гравитация уже не выглядит слабым фоном и начинает вмешиваться в расчеты наравне с другими взаимодействиями. В этот момент стандартный аппарат физики частиц начинает давать сбой.
Проблема упирается в квантовую теорию поля . Именно на ней построено описание почти всех известных частиц и сил. Смысл подхода в том, что Вселенная заполнена полями, а частицы — лишь локальные возмущения, небольшие волны в этих полях. Физики умеют учитывать вклад квантовых флуктуаций, то есть мельчайших колебаний, даже если речь идет об очень высоких энергиях. Для электромагнетизма и других негравитационных сил схема работает: сила взаимодействия меняется с масштабом, но расчеты остаются под контролем. С гравитацией возникает другая картина, потому что в общей теории относительности гравитация связана не с отдельной силой на готовой сцене, а с самой геометрией пространства-времени. Когда квантовые колебания начинают затрагивать уже не только поля, но и пространство-время, формулы быстро перестают давать надежный результат.
Именно из-за этого сбоя физики уже десятилетиями спорят, что происходит на фундаментальном уровне. Один лагерь считает, что точечных частиц в природе вообще нет, а вместо них существуют крошечные струны. На этой идее выросла теория струн . Другой подход предполагает, что гладкого пространства-времени тоже нет, а в самой основе реальности лежит более зернистая структура. Так устроены, например, петлевая квантовая гравитация и теория причинных множеств. Айххорн развивает третью возможность. По ее версии, частицы, поля и пространство-время сохраняются, а главная перемена состоит в другом: на предельно малых масштабах законы природы перестают бесконечно меняться и выходят на устойчивый режим.
Если увеличивать привычный мир шаг за шагом, картина довольно быстро перестает быть привычной. Гладкий экран распадается на молекулы, молекулы — на атомы, атомы — на ядра и электроны, а внутри ядра обнаруживаются кварки. На каждом новом уровне физика меняет масштаб, но сохраняет рабочие правила: ученые понимают, как ведут себя частицы и как пересчитывать силу взаимодействий. Проблемы начинаются ещё глубже, на расстояниях настолько малых, что привычные формулы для гравитации перестают работать. Именно с этой границы и начинается работа Астрид Айххорн , теоретика из Гейдельбергского университета.
Речь идет о планковском масштабе, предельной области современной физики. В обычной жизни гравитация кажется очень слабой по сравнению с другими фундаментальными силами. Магнит легко поднимает скрепку, несмотря на притяжение всей Земли. Но при переходе к предельно малым расстояниям картина меняется. Квантовые колебания становятся настолько сильными, что гравитация уже не выглядит слабым фоном и начинает вмешиваться в расчеты наравне с другими взаимодействиями. В этот момент стандартный аппарат физики частиц начинает давать сбой.
Проблема упирается в квантовую теорию поля . Именно на ней построено описание почти всех известных частиц и сил. Смысл подхода в том, что Вселенная заполнена полями, а частицы — лишь локальные возмущения, небольшие волны в этих полях. Физики умеют учитывать вклад квантовых флуктуаций, то есть мельчайших колебаний, даже если речь идет об очень высоких энергиях. Для электромагнетизма и других негравитационных сил схема работает: сила взаимодействия меняется с масштабом, но расчеты остаются под контролем. С гравитацией возникает другая картина, потому что в общей теории относительности гравитация связана не с отдельной силой на готовой сцене, а с самой геометрией пространства-времени. Когда квантовые колебания начинают затрагивать уже не только поля, но и пространство-время, формулы быстро перестают давать надежный результат.
Именно из-за этого сбоя физики уже десятилетиями спорят, что происходит на фундаментальном уровне. Один лагерь считает, что точечных частиц в природе вообще нет, а вместо них существуют крошечные струны. На этой идее выросла теория струн . Другой подход предполагает, что гладкого пространства-времени тоже нет, а в самой основе реальности лежит более зернистая структура. Так устроены, например, петлевая квантовая гравитация и теория причинных множеств. Айххорн развивает третью возможность. По ее версии, частицы, поля и пространство-время сохраняются, а главная перемена состоит в другом: на предельно малых масштабах законы природы перестают бесконечно меняться и выходят на устойчивый режим.