Новый метод позволит смоделировать теорию квантовой гравитации в лаборатории

Физики разработали метод моделирования центральной теории квантовой гравитации в лабораторных условиях, известный как АдС/КТП соответствие. Основанная на модели искривленного пространства-времени, она позволяет понять сложные гравитационные процессы на всех масштабах, включая квантовый уровень, с помощью упрощенных математических моделей. Таким образом, эта техника потенциально может сделать возможным прямое наблюдение квантовой гравитации.

Гравитация — это, пожалуй, самая известная из четырех фундаментальных сил. Она широко изучается и подтверждается многочисленными экспериментами и наблюдениями, особенно космическими, где ее влияние наиболее очевидно. Она используется, например, для расчета траекторий планет, наблюдения за областями, окружающими черные дыры, и для предсказания движения звезд. Однако теоретическое описание гравитации достигает своих пределов на уровне элементарных частиц, особенно на квантовом уровне.

«Чтобы объяснить Большой взрыв или внутреннюю часть черных дыр, нам необходимо понять квантовые свойства гравитации», — говорит Йоханна Эрдменгер, соавтор нового исследования и заведующая кафедрой теоретической физики III в Вюрцбургском университете (JMU) в Баварии. Однако измерения из обычных источников не позволяют нам изучать квантовую гравитацию.

Эрдменгер и её коллеги предполагают, что благодаря соответствию АдС/КТП потенциально можно измерить её на всех масштабах. «При очень высоких энергиях классические законы гравитации не работают. Поэтому наша цель — внести вклад в развитие новых теорий, способных объяснить гравитацию на всех масштабах, включая квантовый уровень», — объясняет эксперт. В исследовании также приняли участие Университет Альберты (Канада), Институт Макса Планка по физике сложных систем в Дрездене и Университет Алабамы в Тускалузе.

Мера гравитации на всех масштабах

Соответствие АдС/КТП — это гипотеза, объединяющая два типа теории. Первая соответствует так называемым анти-де-Ситтеровским (АдС) пространствам — особому типу искривленного вовнутрь пространства в форме воронки (или гиперболы). Второе соответствует конформной теории поля (КТП), которая описывает квантовые системы, свойства которых остаются неизменными на всех пространственных расстояниях.

Соответствие АдС/КТП утверждает, что сложные гравитационные теории в высокоразмерном пространстве могут быть описаны более простыми квантовыми теориями на границе этого искривленного пространства. По словам Эрдменгер, «на первый взгляд это кажется очень сложным, но это легко объяснить». «Соответствие АдС/КТП позволяет нам понять сложные гравитационные процессы, подобные тем, что существуют в квантовом мире, с помощью более простых математических моделей», — объясняет она.

Более конкретно, соответствие предполагает, что квантовая динамика на краю гиперболы должна соответствовать более сложной динамике, происходящей внутри нее. В качестве аналогии можно сравнить этот принцип с голограммой, спроецированной на лист бумаги. Последняя проецирует трехмерную голограмму, когда сама является двухмерной. Хотя соответствие было подтверждено многочисленными расчетами, его экспериментальная проверка особенно сложна из-за необходимости моделирования гравитон-гравитонных взаимодействий (гипотетических частиц, переносящих гравитацию). Поэтому эксперты исследования предлагают более простой протокол для его моделирования.

Потенциальное применение для нейронных сетей

Экспериментальный протокол, описанный в журнале Physical Review Letters, основан на разветвленной электрической цепи, разработанной для имитации искривленного пространства-времени, обусловленного соответствием АдС/КТП. Электрические сигналы, распространяющиеся в различных местах разветвления цепи, будут соответствовать, в частности, гравитационной динамике, наблюдаемой в различных точках пространства-времени. «В качестве конкретного примера мы предлагаем и моделируем экспериментально осуществимый протокол для измерения голографической КТП с помощью электрических цепей», — объясняют исследователи в своей статье.

Проанализировав движение электрических сигналов, команда показала, что динамика на краю смоделированной гиперболы соответствует динамике внутри нее, как и ожидалось. Эта сложная динамика, перенесенная в лабораторные масштабы, может, наконец, позволить наблюдать квантовую гравитацию. В качестве следующего шага команда планирует применить протокол на практике.

Более того, этот метод может проложить путь к новым технологическим приложениям. Например, предложенная разветвленная цепь должна позволить передавать электрические сигналы с меньшими потерями, поскольку смоделированная кривизна пространства-времени будет сводить и стабилизировать их. Это позволит, например, улучшить передачу сигналов в нейронных сетях, используемых для искусственного интеллекта, считают эксперты.