PRD: впервые изучено, как квантовая гравитация меняет движение частиц

Ученые из Венского технического университета предложили новый способ взглянуть на одну из самых трудных проблем физики — попытку объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Если пространство-время действительно подчиняется квантовым правилам, частицы должны двигаться иначе, чем предсказывает теория Эйнштейна.

И эти отличия могут проявляться не только на сверхмалых расстояниях, но и на масштабах галактик. Работа опубликована в журнале Physical Review D (PRD).

Физики сравнили ситуацию с "сказкой о Золушке": существует несколько конкурирующих теорий квантовой гравитации — струнная теория, петлевая квантовая гравитация, асимптотически безопасная гравитация и другие. Но пока нет "стеклянной туфельки" — наблюдаемого эффекта, по которому можно понять, какая из теорий отражает реальность. Новая работа предлагает такого кандидата.

В классической общей теории относительности движение любых объектов определяется геодезическими — кратчайшими путями в искривленном пространстве-времени. Но если сама метрика пространства-времени становится квантовой величиной, ее свойства неизбежно оказываются "размазанными". Авторы впервые смогли провести такое квантование для сферически симметричного гравитационного поля и вывели новое уравнение движения — так называемые q-дезисы.

Расчеты показали, что в квантовом варианте геодезические перестают быть идеальными кратчайшими путями. Для обычной гравитации отличия минимальны — порядка 10⁻³⁵ м, что невозможно зафиксировать экспериментально. Однако ситуация резко меняется, когда в уравнение добавляют космологическую постоянную, связанную с темной энергией.

На очень больших расстояниях — около 10²¹ м — траектории частиц начинают заметно расходиться с предсказаниями классической теории относительности.

В Солнечной системе такие отклонения ничтожны, однако на космологических масштабах могут оказаться значимыми. По словам авторов, именно на этих расстояниях лежат основные загадки современной космологии: аномальные скорости вращения галактик, проблемы с распределением массы, неполное понимание действия темной энергии.

Если аналогичные результаты удастся получить и для более сложных конфигураций гравитации, у физиков появится новый инструмент для проверки теорий квантовой гравитации по астрономическим наблюдениям.

"Мы, возможно, впервые получили наблюдаемый след квантовой гравитации, который можно искать в данных о структуре Вселенной", — отметили авторы.