Червеева дупка в атома: как обикновеният водород проверява основната хипотеза на квантовата гравитация

Обединението на квантовата механика и относителността остава основният нерешен проблем на теоретичната физика. Двете теории описват света в различни мащаби: първата се занимава със свръхмалките частици, а втората – с огромните маси и гравитацията. През 2013 г. физиците Хуан Малдасена и Леонард Зюскинд предлагат хипотетично решение на този проблем, което е наречено „ER = EPR“.

Тази абревиатура свързва две фундаментални физични явления. Лявата страна на уравнението (ER) означава мостовете на Айнщайн-Розен. Това са пространствени тунели или червееви дупки, които теоретично могат да свързват отдалечени точки във Вселената. Дясната страна (EPR) означава квантово заплитане – състояние, при което физическите свойства на две частици изглеждат неразривно свързани, независимо колко далеч са една от друга. Хипотезата гласи, че квантовото заплитане и космическите тунели са две различни описания на един и същ физически процес. С по-прости думи, всички две заплетени частици са свързани чрез микроскопична червеева дупка.

Дълго време тази хипотеза се смяташе за недоказуема. Физическите процеси на квантовата гравитация протичат в мащабите на дължината на Планк – около 10 до минус 35-та степен от метъра. Това е твърде малък размер, за да могат учените да ги уловят директно със съвременните инструменти или ускорители на частици. Въпреки това физиците Ирфан Джавед и Едуард Уилсън-Юинг от Университета на Ню Брънзуик са измислили метод, който им позволява да проверят тази хипотеза, макар и косвено. За целта те предлагат да се използват физичните свойства на водородния атом – най-простият и най-изучаваният химичен елемент във Вселената.

Физическият механизъм: промяна на електрическото поле

За да разберем експеримента, е необходимо да се насочим към поведението на заредените частици в електрическото поле. Всяка заредена частица, например електрона, е заобиколена от електрично поле. Силата на това поле определя колко силно частицата привлича или отблъсква другите заряди.

Според законите на класическата електродинамика целият електрически заряд на частицата определя силата на полето в заобикалящото я пространство. Авторите на новото изследване обаче предполагат, че наличието на квантова червеева дупка променя тази картина.

Когато две частици са квантово заплетени, пространството между тях е пронизано от микроскопичен тунел. Гърлото на този пространствен коридор се намира директно в електрона. Фундаменталният принцип за запазване на електричеството задължава полето да се разпространява по всички налични пътища, което кара някои от силовите линии на частицата неизбежно да избягат във вътрешността на тунела.

От обичайното ни триизмерно пространство е невъзможно да се погледне вътре в червеевата дупка, така че за едно външно устройство този процес изглежда като отслабване на околното поле. При всяко измерване отвън ще изглежда, че електронът частично е загубил основния си заряд.

Този ефект се описва с формулата: q_e = -e / (1 + s / (pi * alpha2)), където q_e е промененият заряд на електрона, e е неговият първоначален заряд, s е нивото на квантово заплитане, pi е числото pi, а alpha е специален безразмерен параметър alpha. Този параметър определя докъде ще стигне електрическото поле във вътрешността на тунела. Ако този параметър клони към безкрайност, полето изобщо не прониква в червеевата дупка. Ако той е равен на единица, както предполагат първите теоретични модели, тогава изтичането на полето трябва да е достатъчно силно, за да бъде засечено от уредите.

Асиметрията между електрона и протона

Структурата на водорода се основава на двойка ключови компоненти: положително ядро-протон и отрицателно зареден електрон, движещ се непрекъснато по външна орбита. Тъй като те са обединени в една микросистема, квантовото заплитане между тях е неизбежно. Изследователите се замислиха над важен въпрос: по каква причина електромагнитните силови линии се губят в червеевата дупка само при електрона, докато протонът напълно запазва своето излъчване?

Причината се крие във фундаменталната разлика във вътрешната структура на тези частици и техните размери:

Електронът е фундаментална точкова частица. Той няма вътрешна структура и измерим физически размер. Той заема свръхмалък обем от пространството, което му позволява да се намира директно на входа на квантовата червеева дупка. Протонът е сложна съставна частица. Той е съставен от по-малки компоненти – кварки и глюони. Физическият радиус на разпределение на електрическия заряд вътре в протона е около 0,84 на 10 до минус 15-та степен от метъра.

Тъй като радиусът на протона е двадесет порядъка по-голям от дължината на Планк (характерния размер на входа на червеевата дупка), зарядът му е разпределен в твърде голяма област от пространството. Той физически не може да се концентрира на входа на микроскопичния тунел. Поради тази причина електрическото поле на протона практически не влиза във вътрешността на червеевата дупка. Това води до физическа асиметрия: ефективният заряд на електрона намалява, докато зарядът на протона остава същият.

Влияние върху енергийния спектър на атома

Колебанията в електростатичното напрежение, създадено от леката частица, пряко влияят върху параметрите на цялата водородна система. Взаимната Кулонова връзка между положителното ядро и отрицателния спътник става по-слаба. Това води до две проверими последствия:

Увеличаване на разстоянието между частиците. Тъй като електрическото привличане отслабва, средното разстояние от електрона до ядрото се увеличава. Физиците наричат тази стойност радиусът на Бор на атома. Промяна в магнитните взаимодействия. Електронът и протонът имат свой собствен въртящ момент – спин. Поради това те се държат като микроскопични магнити. Енергията на атома зависи от това, дали тези магнитни полета са съвместно насочени или са насочени в противоположни посоки. Разликата между тези енергийни състояния се нарича свръхфино разцепване.

Именно свръхфиното разцепване е причина за излъчването на водорода с честота, съответстваща на дължина на вълната от 21 сантиметра. Това излъчване играе ключова роля в радиоастрономията: учените го използват, за да определят структурата на галактиките и разпределението на материята във Вселената.

Физиците са в състояние да измерят дължината на вълната на това излъчване с голяма точност – до дванадесет знака след десетичната запетая. Ако електрическото поле на електрона избяга в червеева дупка, това би променило разстоянието между частиците, би отслабило магнитното взаимодействие и би изместило честотата на излъчването.

Липсата на такива отклонения в резултатите от дългосрочните наблюдения позволи на авторите на статията да изчислят минималната граница за алфа параметъра. Изчисленията показаха, че този параметър трябва да бъде по-голям от 10 на шестата степен (един милион). Това напълно опровергава по-ранните предположения, че ефектът трябва да има скала, равна на единица.

Нарушаване на електрическата неутралност на водорода

Друга пречка се дължи на фундаменталния принцип на инвариантност на общото електричество. В стабилно състояние водородът е напълно уравновесен: плюсовият потенциал на ядрото компенсира минусовия заряд на лекия спътник до най-малката част. В случая, когато е валидна концепцията ER = EPR и част от силовите линии на леката частица се губят в тунела, докато полето на ядрото запазва целостта си, това равновесие се разрушава. Погледнато отвън, регистрираният минус на електрона се понижава, докато плюсовият потенциал на ядрото остава непроменен. В резултат на това първоначално уравновесената система трябва да придобие малък, но съвсем реален общ излишък на плюс

Ако хипотезата ER = EPR е вярна и част от полето на електрона отиде в червеева дупка, докато полето на протона остане непроменено, балансът се нарушава. За външния наблюдател отрицателният заряд на електрона намалява, а положителният заряд на протона остава същият. В резултат на това неутралният водороден атом трябва да придобие малък общ положителен заряд.

Физиците редовно провеждат експерименти, за да проверят електрическата неутралност на материята. Досега е установено, че общият заряд на водородния атом не може да надвишава 10 на минус 20-та степен от заряда на електрона. Тази цифра на практика е нула в рамките на грешката на уредите.

За да не наруши теоретичното изтичане на поле в червеева дупка експериментално доказаната неутралност на водорода, параметърът алфа трябва да бъде изключително голям. Физиците са изчислили, че стойността му трябва да надвишава 10 на девета степен (един милиард).

Значение за физическата наука

Резултатите от изследването на Джавед и Уилсън-Йънг налагат строга рамка за по-нататъшното развитие на теорията на квантовата гравитация.

Те не затварят хипотезата ER = EPR, но показват, че квантовите червееви дупки трябва да са изолирани от външната среда много по-силно, отколкото се смяташе досега. Пространствените тунели не би трябвало да имат почти никакво взаимодействие с електромагнитните полета на обикновените частици. Всяка нова физична теория, която се опитва да обедини гравитацията и квантовата механика, трябва математически да обясни защо тази изолация е толкова ефективна.

Освен това работата на канадските учени демонстрира важността на високоточните измервания. Физиците невинаги се нуждаят от свръхмощни колайдери, за да проверят законите на квантовата гравитация. Понякога е достатъчно дълбоко разбиране на процесите, протичащи в най-простия атом във Вселената.