Зерно розбрату
Квантова фізика глибоко замислилася: дослідження не виявили «зернистості» простору. Це ставить хрест на декількох сучасних фізичних теоріях.
У липні група європейських учених під керівництвом доктора Філіппа Лорана повідомила, що найретельніші спроби виявити квантування простору (тобто знайти дрібні «комірки», на які він, відповідно до теорії, має ділитися) завершилися фіаско. Відкриття квантування допомогло б «зшити» два основних фізичних стовпи — загальну теорію відносності (ЗТВ) і квантову теорію.
Дві найбільші фізичні теорії ХХ століття існують поруч, ніби не помічаючи, що одна з одною не зовсім стикуються. ЗТВ описує космічні об’єкти, виходячи з постулату, що простір — безперервне гладке середовище. Навпаки, уся квантова теорія ґрунтується на припущенні про зернистий характер простору. Звичайно, у своїй науковій практиці астрономам, які вивчають зірки й галактики, не доводиться мати справу із квантовими ефектами, так само фізики-ядерники майже не зустрічаються з явищами, описуваними ЗТВ. Тому в повсякденній роботі фізиків-практиків ця суперечність не дуже помітна. Проте наявний серйозний теоретичний дискомфорт через поділ сучасної фізики на два табори. Є й інший парадокс: квантова теорія працює добре, видає багато точних результатів. Та от невдача: квантову природу самого простору досі не виявлено.
Протягом усього минулого століття тривали спроби створити об’єднану загальну теорію. Її не зміг подужати Ейнштейн, на ній зламали зуби десятки не менш талановитих учених. Щоб якось укласти спостережувані фізиками ефекти в чіткі постулати й формули, було придумано гіпотези різного ступеня екзотичності. Як, наприклад, теорія струн. Це напрямок математичної фізики, який вивчає динаміку та взаємодії не точкових частинок, а одномірних протяжних об’єктів. Вона ґрунтується на гіпотезі, що всі елементарні частинки і їхні фундаментальні взаємодії виникають у результаті коливань і взаємодій ультрамікроскопічних квантових струн. Передбачається також, що наш чотиривимірний простір-час є поодиноким випадком загального багатомірного простору. За іншою гіпотезою, «цеглинками» нашого світу є не струни, а квантові петлі. Так чи інакше, у всіх цих теоріях головною невизначеною величиною були характеристики розмірів зерен, струн, петель.
Учені вважали, що мінімально можливий поперечник зерна простору або мінімальна довжина в природі — 1,6·10-35 м (так звана планківська довжина). Для порівняння: діаметр електрона – 2,8·10-12 м, кварка – 10-18 м. Як бачимо, між гіпотетичним «зерном простору» та електроном таке ж провалля в розмірах, як між електроном і земною кулею. Скільки загадкових суб’ядерних, субкваркових явищ може приховуватися в такій безодні! Однак для хоча б побіжного підтвердження всіх цих теорій треба було довести, що «зерна простору» дійсно існують, і визначити їх приблизні розміри.
Похорон теорії струн
Як же поєднати в одному спостереженні космічні відстані й квантові явища? Теорія передбачала: простір, якщо він зернистий, має поляризувати гамма-випромінювання, яке проходить крізь нього. Відповідно до розрахунків, маленькі зерна впливають на промені світла в просторі, змушуючи їх обертатися в площині, перпендикулярній напрямку руху, і змінювати напрямок. За високих енергій промені мають скручуватися більше, ніж за низьких, і ця різниця в поляризації може бути використана для оцінки розмірів квантового зерна. Але щоб ефект був спостережуваним, потужність випромінювання й пройдена ним відстань мають бути дійсно астрономічних масштабів. Можливим джерелом гамма-променів, уважають учені, можуть бути дуже потужні гамма-спалахи, які відбуваються, коли масивна зірка колапсує в нейтронну або наднову. Тривають вони від декількох секунд до хвилин, але на цей короткий час «освітлюють» цілі галактики. Ступінь впливу зернистості простору на поляризацію випромінювання залежить від його енергії, тому якщо простір дійсно «квантується», то гамма-промені мають приходити з різною поляризацією, залежно від енергії конкретних частинок.
Для своїх обчислень група фізиків із Франції, Італії та Іспанії скористалася результатами вимірів європейського космічного телескопа Integral, його зйомкою гамма-спалаху GRB 041219A, який відбувся 19 грудня 2004 року. Відстань до джерела становила щонайменше 300 млн світлових років. Це був дуже вдалий випадок, який дозволив перевірити сучасні уявлення. Спалах був таким потужним, що Міжнародна обсерваторія гамма-променів змогла записати його в деталях. Після обробки даних учені дійшли висновку: ніякої зміни поляризації гамма-променів під час цього спалаху не спостерігалося. Але ж ці виміри були в тисячу разів точніше, ніж усі попередні. Це не означає, що простір гладкий і не складається з елементарних «комірок», але вони, у всякому разі, мають бути менше 10-48 м. Це принаймні у 13 разів (!) менше, ніж передбачалося досі.
Керівник групи доктор Філіпп Лоран висловлюється обережно: «Ми одержали дуже важливий результат для фундаментальної науки. Ця експериментальна оцінка поховала деякі різновиди теорії струн і петлевої теорії гравітації».
Загальна теорія відносності й квантова теорія знову не знайшли спільних точок…
Довідка «УТГ»
Квантова теорія — «зонтичний» термін, який охоплює весь комплекс теорій квантової фізики.
