Сотрудник Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ имени М.В.Ломоносова с коллегами уточнил масштаб нелокальности в квантовом пределе общей теории относительности с помощью экспериментальных исследований на Большом адронном коллайдере. Исследование позволяет приблизиться к созданию «теории всего».
Статья опубликована в журнале Physics Letters.
Общая теория относительности (ОТО) — самая успешная теория гравитации, существующая на данный момент. Она была сформулирована еще в начале ХХ века и хорошо подтверждается экспериментально. Например, без её учета современные системы глобального позиционирования (GPS) не смогли бы достигнуть существующей точности. Одна из задач ОТО на сегодняшний день — построение теории квантовой гравитации, то есть объединение гравитационного взаимодействия и квантовой механики в областях, где гравитация сильна. Это позволит создать «теорию всего», объединить в одной теории все известные фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое).
Основная трудность заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино (квантовая механика и ОТО) опираются на разные наборы принципов. Квантовая механика описывает физические явления в микроскопических масштабах, например, свойства и поведение атомов, ионов, молекул и других систем с электронно-ядерным строением, в макроскопических масштабах она переходит в классическую механику. В отличие от теории относительности, она рассматривает эволюцию физических систем во времени на фоне внешнего пространства-времени. В ОТО же пространство-время само является динамической системой.
«Мы пытаемся создать еще один мост между физикой высоких энергий и современными теориями гравитации. Обнаруженные в создающейся теории квантовой гравитации новые эффекты мы применяем для расчета возможных нетривиальных эффектов, регистрация которых возможна на Большом адронном коллайдере (БАК)», — рассказал ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ, профессор кафедры квантовой теории и физики высоких энергий физического факультета МГУ, доктор физико-математических наук Станислав Алексеев.
Учёные применили новый подход, использовав опыты по взаимодействию частиц на БАК для расчетов своей модели. Синтез гравитации и физики высоких энергий позволил получить данные из значительно лучше изученной области: величины, относящиеся к гравитации, измеренные на БАК, вставляли в расчеты в виде дополнительных поправок. С их помощью ученые вывели ограничения на гравитационные параметры и предсказали появление так называемых «эффектов нелокальности» и их допустимый масштаб. Эти эффекты проявляются в квантовой механике, где принцип локальности, предсказывающий, что физическое состояние объекта нельзя изменить, не вступая с ним в непосредственный контакт, может нарушаться. Такой подход позволяет получать новую информацию о природе и структуре гравитационного взаимодействия.
«Мы планируем продолжить совместную работу для учета более широкого класса моделей гравитации и поиска их проявлений в физике высоких энергий», — поделился ученый.
Исследования проводились совместно с коллегами из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна), Университета Сассекса (Англия) и Института теоретической физики Майнца (Университет им. ЙоханнесаГутенберга, Германия).