Общая теория относительности Эйнштейна объясняет, что гравитация возникает из-за искривления ткани пространства и времени. Наиболее знакомым проявлением этого является земное притяжение, которое удерживает нас на земле и объясняет, почему мячи падают на пол, а люди имеют вес.
С другой стороны, в области физики высоких энергий учёные изучают крошечные невидимые объекты, которые подчиняются законам квантовой механики, характеризующейся случайными флуктуациями, создающими неопределённость в положении и энергии частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны. Понимание случайности квантовой механики необходимо для объяснения поведения материи и света на субатомном уровне.
На протяжении десятилетий учёные пытались объединить эти две области исследований, чтобы получить квантовое описание гравитации. Это позволило бы объединить физику кривизны, связанную с общей теорией относительности, и загадочные случайные флуктуации, связанные с квантовой механикой.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, физики из Техасского университета в Арлингтоне сообщают о новом глубоком изучении взаимодействия этих двух теорий с помощью нейтринных частиц сверхвысокой энергии, обнаруженных детектором частиц, установленным глубоко в антарктическом леднике на южном полюсе.
«Задача объединения квантовой механики с теорией гравитации остаётся одной из самых актуальных нерешённых проблем в физике, — говорит соавтор работы Бенджамин Джонс, доцент кафедры физики. — Если гравитационное поле ведёт себя так же, как и другие поля в природе, то его кривизна должна демонстрировать случайные квантовые флуктуации».
Джонс и аспиранты UTA Акшима Неги и Грант Паркер были частью международной группы коллаборации IceCube, в которую вошли более 300 учёных из США, а также Австралии, Бельгии, Канады, Дании, Германии, Италии, Японии, Новой Зеландии, Кореи, Швеции, Швейцарии, Тайваня и Великобритании.
Для поиска признаков квантовой гравитации команда разместила тысячи датчиков на площади в один квадратный километр вблизи южного полюса в Антарктиде, которые следили за нейтрино — необычными, но многочисленными субатомными частицами, имеющими нейтральный заряд и не обладающими массой. Команда смогла изучить более 300 000 нейтрино. Они хотели выяснить, не мешают ли этим сверхвысокоэнергетическим частицам случайные квантовые флуктуации в пространстве-времени, которые можно было бы ожидать, если бы гравитация была квантово-механической, поскольку они преодолевают большие расстояния по Земле.
«Мы искали эти флуктуации, изучая ароматы нейтрино, обнаруженные обсерваторией IceCube, — говорит Неги. — Наша работа привела к измерению, которое было гораздо более чувствительным, чем предыдущие (более чем в миллион раз больше, для некоторых моделей), но оно не нашло доказательств ожидаемых квантовых гравитационных эффектов».
Отсутствие признаков квантовой геометрии пространства-времени является мощным заявлением о существовании всё ещё неизвестной физики, действующей на стыке квантовой физики и общей теории относительности.
«Этот анализ представляет собой заключительную главу в почти десятилетнем вкладе UTA в работу обсерватории IceCube, — сказал Джонс. — Сейчас моя группа проводит новые эксперименты, цель которых — понять происхождение и значение массы нейтрино с помощью методов атомной, молекулярной и оптической физики».
