Новая работа может помочь понять, как и почему возникают эти микроскопические квантово-механические пульсации, а также объяснить связи между теорией гравитации Эйнштейна и квантовой механикой — того, что ускользало от ученых на протяжении десятилетий.

Грандиозная задача современной теоретической физики в том, чтобы найти «единую теорию», которая могла бы описать все законы природы в единой структуре, соединяющую общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую Вселенную в больших масштабах, и квантовую механику, описывающую наш мир на атомарном уровне. Теория «квантовой гравитации» должна включать в себя как макроскопическое, так и микроскопическое описание природы.

Черная дыра образуется в тот момент, когда тяжелая звезда расширяется и коллапсирует под действием собственной гравитационной силы, так что вся ее масса оказывается сосредоточенной в чрезвычайно малом объеме. Квантово-механическое описание черных дыр все еще находится в зачаточном состоянии и требует помощи высшей математики.

«Мы стремимся понять законы природы — и язык, на котором они написаны, является математика. Именно в ней мы находим ответы на вопросы, которые мы ищем в физике. Это взаимодействие особенно заметно в поисках квантовых гравитация — где крайне сложно проводить эксперименты», — объяснил Дэниел Перссон, профессор кафедры математических наук Технологического университета Чалмерса.

«Задача состоит в том, чтобы описать, возникновение гравитации как “эмерджентного” явления. Так же, как повседневные явления возникают из хаотических движений отдельных капель, мы хотим описать, как гравитация возникает из квантово-механической системы в момент времени на микроскопическом уровне», — рассказал Роберт Берман, профессор кафедры математических наук Технологического университета Чалмерса.

Перссон и Берман вместе с Тристаном Коллинзом из Массачусетского технологического института в США показали, как гравитация возникает из специальной квантово-механической системы в упрощенной модели квантовой гравитации, называемой голографическим принципом.

«Используя методы математики, которые я исследовал ранее, нам удалось сформулировать объяснение того, как гравитация возникает в соответствии с голографическим принципом, более точным образом, чем это делалось ранее», — добавил Берман.

Исследование ученых предлагает новое понимание темной энергии. В общей теории относительности Эйнштейна гравитация описывается как геометрическое явление. Подобно тому, как только что застеленная кровать изгибается под тяжестью человека, тяжелые предметы могут искривлять геометрическую форму вселенной. Но, согласно теории Эйнштейна, даже пустое пространство — «вакуумное состояние» Вселенной — имеет богатую геометрическую структуру. Если бы мы могли увеличить масштаб и посмотреть на этот вакуум на микроскопическом уровне, мы бы увидели квантово-механические флуктуации или пульсации, известные как темная энергия. Именно эта загадочная форма энергии, с более широкой точки зрения, ответственна за ускоренное расширение Вселенной.

«Наши результаты открывают возможность проверить другие аспекты голографического принципа — например, микроскопическое описание черных дыр», — подытожил Даниэль Перссон.