Вчені озвучили революційну теорію щодо гравітації: як це може вплинути на розуміння Всесвіту

Сучасне розуміння гравітації описує її, як фундаментальну силу, на якій базуються закони існування нашого Всесвіту. Втім, нова наукова робота може серйозно змінити уявлення фізиків про гравітацію та її вплив.

Відео дня

Як пише видання Advanced Science News, науковці Рут Кастнер з Мерілендського університету та Андреас Шлаттер з Квантового інституту в Нью-Йорку у своїй спільній роботі висловлюють припущення, що гравітаційне тяжіння — це не базова сила, а ефект, що виникає з глибших квантових процесів, пов'язаних з електромагнетизмом. Якщо теорія підтвердиться, вона може допомогти пояснити таємниці, які тривалий час не піддавалися стандартним моделям, включаючи походження темної матерії та енергії, що прискорює розширення Всесвіту.

Дослідження Кастнер та Шлаттера було опубліковане в журналі Journal of Physics Communications. Фізики у ній переосмислюють гравітацію не як силу, вшиту в тканину простору-часу, а як щось, що виникає з поведінки звичайної матерії на квантовому рівні. Базуючись на своїх припущеннях, вчені розробили структуру, в якій простір і час самі по собі не є фундаментальними, а є результатом електромагнітних взаємодій між зарядженими системами, такими як атоми та молекули.

Простір-час з обміну фотонами

"Створення реального фотона створює "тканину простору-часу", породжуючи події простору-часу та його структурний зв'язок; а саме подію випромінювання, подію поглинання та реальний фотон, який їх пов'язує", — пояснила свою концепцію Кастнер. Простіше кажучи, згідно з нею, подіїпростору-часу разом із їхніми структурними зв'язками виникають із цих транзакцій

Все відбувається, коли атоми чи молекули випромінюють і поглинають фотони — частки світла, які переносять електромагнітну силу. Згідно з висунутою теорією, кожна така транзакція породжує пару подій у просторі-часі, ефективно зшиваючи мережу відносин, які формують те, що ми сприймаємо як простір та час.

Ідея заснована на більш ранніх спробах переосмислити гравітацію як явище, що виникає — ефект, який виникає з більш базових фізичних процесів, а не як сила сама по собі. У цій картині відчутне викривлення простору-часу, описане загальною теорією відносності Ейнштейна, не є фундаментальною особливістю Всесвіту, а є великомасштабним результатом базових взаємодій між матерією і електромагнітним полем.

"Транзакції є "вимірами" у квантовій теорії", — пояснила Кастнер. "Фундаментальні ступені свободи, які лежать в основі подій простору-часу, що виникають, — це пов'язані системи із зарядженими компонентами, такими як атоми і молекули — це випромінювачі та поглиначі, — а також електромагнітне поле, яке є середовищем транзакцій", — додала вона.

Від термодинаміки до гравітації

Одним із найбільш інтригуючих наслідків цього підходу є його здатність відтворювати ключові передбачення загальної теорії відносності, включаючи гравітаційне тяжіння між масивними тілами, без залучення гравітації як окремої сили. Натомість дослідники застосовують принципи термодинаміки, зокрема концепцію ентропії, щоби пояснити, чому матерія притягує іншу матерію.

Ентропія, яку часто описують як міру безладдя, відображає кількість можливих мікроскопічних розташувань, які призводять до одного й того великомасштабного стану. У новій структурі безліч квантових станів атомів і молекул — разом з фотонами, що їх випускають, визначають ентропію системи. Зі збільшенням маси збільшується і кількість цих станів, що підвищує ймовірність взаємодій і, таким чином, породжує силу, яку ми інтерпретуємо як гравітацію.

"Наділені масою об’єкти, що складаються з взаємодіючих компонентів, забезпечують "паливо" для транзакцій. Коли ми кількісно визначаємо це взаємодіюче паливо з погляду температури та можливих положень мас, результатом стає гравітаційний потенціал", — пояснила Кастнер.

Переосмислення темної матерії та темної енергії

Дослідники припускають, що цей заснований на ентропії опис, окрім іншого, природно пояснює явища, які тривалий час кидали виклик традиційним теоріям. До них відносяться незбагненний рух зірок у галактиках, який призвів до появи концепції існування невидимої темної матерії, і прискорення розширення Всесвіту, що зазвичай приписують темній енергії.

"Модель передбачає величини, які в даний час є аномаліями для стандартної теорії, такі як аномалії обертання галактик ("темна матерія") і невелике, але не зникому значення "темної енергії" і її несподіване ослаблення з часом. Подальші астрономічні спостереження можуть запропонувати більш точні перевірки передбачень моделі в цьому відношенні", — сказала дослідниця.

На думку Кастнер та Шлаттера, немає необхідності залучати невідомі форми матерії чи енергії для пояснення цих ефектів. Вони природним чином виникають із термодинамічної поведінки звичайної матерії та її електромагнітних взаємодій. "Загалом наша теорія — це квантова теорія гравітації з відповідними поправками до теорії Ейнштейна, хоча гравітація — це не квантове поле в цій моделі, а природна структурна властивість простору-часу, що виникає", — пояснила Кастнер.

Погляд у майбутнє

Наразі команда працює над подальшим розширенням теорії. Основна мета дослідників – описати гравітаційні хвилі, своєрідні брижі у просторі-часі, які вдалося виявити завдяки таким обсерваторіям, як LIGO, і вбудувати їх у рамки нової структури. Замість того, щоб бути хвилями в гравітаційному полі, ці сигнали можуть бути наслідком змін у русі самої маси.

"Ми продовжуємо розвивати модель, зокрема, її здатність пояснювати гравітаційні хвилі, не приписуючи енергію безпосередньо "гравітаційному полю", а скоріше самим вихідним масам", — сказала Кастнер.

Хоча нова теорія все ще залишає дослідникам чимало запитань, вона вже пропонує інтригуючу альтернативу стандартному погляду на гравітацію. Потенційно це може зрештою допомогти об'єднати наше розуміння Всесвіту від його найдрібніших частинок до його найбільших структур.

Раніше OBOZ.UA розповідав, що вченим вдалося знайти ймовірну причину таємничого інфрачервоного світла в космосі.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.