Охота за теорией квантовой гравитации предполагает, что пространство-время можно сотворить легче, чем кто-либо мог себе представить.
Возможно, самым интригующим направлением современной науки является непрекращающаяся работа по объединению законов физики в самых больших и малых масштабах. Это означает найти способ объединить гравитацию с законами квантовой механики для создания теории квантовой гравитации.
Одна из больших идей, лежащих в основе этой работы, заключается в том, что границы нашего космоса содержат всю информацию для описания того, что происходит во Вселенной. Это странно, потому что граница только двумерна, а Вселенная трехмерна. Каким-то образом дополнительное измерение возникает из свойств других измерений.
Физики называют это голографической двойственностью, потому что это похоже на то, как третье измерение появляется в двумерных голограммах. Идея о том, что мы живем в эмерджентном пространстве-времени, привлекла внимание многих физиков, которым очень хотелось бы глубже изучить эту идею.
Теперь у них появился шанс благодаря работе Кодзи Хашимото и его коллег из университета Киото, которые нашли способ создать эмерджентное пространство-время в простом настольном эксперименте. Их ключевое понимание состоит в предположении, что при определенных условиях пространство-время может возникать в обычных материалах точно так же, как в голограммах появляется третье измерение.
Хашимото и его коллеги набросали условия, в которых это могло бы работать, и рассчитали, как физики могут обнаружить эти эмерджентные «пространства-времена». Если они верны, работа команды закладывает основу для первого экспериментального обнаружения эмерджентного пространства-времени.
Сначала немного предыстории. Голографическая двойственность – результат гипотезы, выдвинутой физиками в 1990-х годах для примирения двух совершенно разных теорий Вселенной. Первая – это конформная теория поля или CFT, которая описывает физику элементарных частиц в самых маленьких квантовых масштабах. Второе – это пространства анти-де Ситтера, которые описывают квантовую гравитацию в терминах теории струн и часто требуют для этого много измерений. Они компактифицируются в большинстве реальных ситуаций.
Гипотеза состоит в том, что конформные теории поля и пространства анти-де Ситтера – это, по сути, одно и то же, даже несмотря на то, что они имеют разное количество измерений. В этом так называемом AdS/CFT-соответствии конформная теория поля точно отображается в антипространство де Ситтера и наоборот. Это отображение показывает, как наше дополнительное измерение пространства возникает из описания Вселенной более низкого измерения.
Но если соответствие AdS/CFT верно, Хашимото и его коллеги пришли к выводу, что, возможно, существуют другие обстоятельства, при которых может возникнуть пространство-время. Например, возможно, можно создать одномерную границу, внутри которой может возникнуть двумерное пространство-время.
Затем они исследовали условия, в которых это могло произойти, и как это могло быть видно внешнему наблюдателю.
Они отмечают, что создать одномерную границу очень просто, используя тонкую линию атомов или молекул, расположенных по кругу. Несложно просчитать внешний вид такой системы в обычных условиях.
Однако, если эта система допускает появление собственного пространства-времени, она должна взаимодействовать с нашим собственным пространством-временем таким образом, который искажает его внешний вид предсказуемым образом, как голограмма.
Хашимото и его коллеги продолжают вычислять свойства этого искажения в системе, состоящей из хлорида таллия-меди, которая обладает квантовыми свойствами, которые должны позволить эффекту произойти.
Они подсчитали, что кольцо хлорида таллия-меди должно иметь окружность около 100 нанометров и охлаждаться до 0,1 Кельвина. И они предсказывают, как это будет выглядеть, если возникнет собственное пространство-время. «Изображение в низкотемпературной фазе явно отличается от обычных материалов», говорят исследователи.
Это захватывающая работа, которая заставит физиков всего мира пристально вглядываться в крошечные кольца хлорида меди в поисках признаков возникающего пространства-времени. Важно отметить, что это эксперимент, который возможен более или менее в любой лаборатории материалов, оснащенной низкотемпературным оборудованием. «Эти грубые расчеты показывают реальную возможность экспериментального поиска материалов, появляющихся в пространстве-времени», говорят Хашимото и его коллеги.
Это означает, что вскоре мы должны выяснить, легко ли наблюдать это явление. Если это так, то в ближайшие месяцы исследования материалов, появляющихся в пространстве-времени, резко возрастут.
Конечно, наблюдение возникновения пространства-времени в одномерной системе, которую описывают Хашимото и его коллеги, не обязательно означает, что соответствие AdS/CFT должно быть правильным. Но это наверняка привлечет внимание физиков, надеющихся на это и желающих расширить наблюдения таким образом, чтобы подтвердить или опровергнуть их теории квантовой гравитации.
Будьте готовы к появлению новых захватывающих времен (и пространств) впереди.
