Науковці представили новаторську теорію, що стосується гравітації, і це може кардинально змінити наше сприйняття 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.

Згідно з інформацією, опублікованою в Advanced Science News, вчені Рут Кастнер з Мерілендського університету та Андреас Шлаттер з Квантового інституту в Нью-Йорку висловлюють ідею, що гравітація може не бути фундаментальною силою, а результатом більш глибоких квантових процесів, пов'язаних із електромагнетизмом. Якщо ця теорія знайде підтвердження, вона зможе пролити світло на загадки, які довгий час залишалися поза межами традиційних наукових моделей, такі як походження темної матерії та темної енергії, які сприяють прискоренню розширення Всесвіту.

Дослідження, проведене Кастнером і Шлаттером, було опубліковане у журналі Journal of Physics Communications. У цій роботі фізики переглядають концепцію гравітації, вважаючи її не силою, яка вбудована в структуру простору-часу, а явищем, що виникає внаслідок квантової поведінки звичайної матерії. Виходячи з цих ідей, науковці створили модель, згідно з якою простір і час не є первинними сутностями, а постають як наслідок електромагнітних взаємодій між зарядженими системами, такими як атоми та молекули.

Простір-час, що виникає внаслідок взаємодії фотонів.

"Виникнення реального фотона формує "тканину простору-часу", генеруючи події, що відбуваються в цій тканині, а також визначаючи їх структурні зв'язки. Це включає в себе такі події, як випромінювання, поглинання та сам фотон, що їх об'єднує", -- пояснила свою теорію Кастнер. Іншими словами, за її концепцією, події простору-часу і їхні структурні зв'язки виникають внаслідок цих взаємодій.

Усе відбувається, коли атоми або молекули взаємодіють з фотонами — частинками світла, що несуть електромагнітну енергію. За запропонованою теорією, кожна така взаємодія створює пару подій у просторі-часі, таким чином з'єднуючи мережу зв'язків, які формують наше сприйняття простору та часу.

Ця концепція ґрунтується на попередніх спробах переосмислити гравітацію не як ізольовану силу, а як наслідок більш елементарних фізичних процесів. У цій моделі викривлення простору-часу, яке описується загальною теорією відносності Ейнштейна, розглядається не як фундаментальна властивість Всесвіту, а як масштабний ефект, що виникає внаслідок взаємодій між матерією та електромагнітним полем.

"Транзакції слугують 'вимірами' в рамках квантової теорії", -- зазначила Кастнер. "Основні ступені свободи, які формують події в просторі-часі, складаються з пов'язаних систем із зарядженими елементами, такими як атоми і молекули. Вони функціонують як випромінювачі та поглиначі, а також взаємодіють з електромагнітним полем, яке виконує роль середовища для транзакцій", -- додала вона.

Від теплоти до тяжіння

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

Вчені вважають, що цей опис, що спирається на принципи ентропії, може природно пояснити явища, які довгий час ставили під сумнів традиційні наукові теорії. Серед цих явищ — таємничий рух зірок у галактиках, що спонукало до формування ідеї про існування невидимої темної матерії, а також прискорене розширення Всесвіту, яке зазвичай пов'язують із темною енергією.

"Дана модель включає в себе величини, які наразі вважаються аномаліями для традиційної теорії, зокрема аномалії обертання галактик, що пов'язані з 'темною матерією', а також невелике, але не зникле значення 'темної енергії' та її несподіване ослаблення з часом. Подальші астрономічні спостереження можуть надати більш точні підтвердження прогнозів цієї моделі в цьому контексті," - зазначила 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

На даний момент команда займається подальшим розвитком теорії. Головна задача дослідників полягає в тому, щоб охарактеризувати гравітаційні хвилі – особливі коливання в просторі-часі, які були зафіксовані завдяки таким обсерваторіям, як LIGO, і інтегрувати їх у нову концептуальну структуру. Замість того, щоб розглядати їх як хвилі в гравітаційному полі, ці сигнали можуть бути результатом змін у русі самої матерії.

"Ми триваємо в удосконаленні моделі, зокрема, її потенціалу пояснювати гравітаційні хвилі, не зв’язуючи енергію безпосередньо з "гравітаційним полем", а радше з самими початковими масами," – зазначила Кастнер.

Хоча нова теорія залишає перед дослідниками багато запитань, вона вже відкриває захоплюючу альтернативу традиційному розумінню гравітації. Це може стати важливим кроком до об'єднання нашого сприйняття Всесвіту — від найменших елементів до найбільших утворень.

Нещодавно OBOZ.UA повідомляв, що дослідникам вдалося виявити ймовірну причину загадкового інфрачервоного випромінювання у Всесвіті.