Новое исследование усложнило поиски квантовой гравитации

Диаграммы Фейнмана для КЭД или линейной квантовой гравитации. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09595-7

Объединение гравитации и квантовой теории остается важной целью современной физики. Несмотря на успехи в объединении всех других фундаментальных взаимодействий (электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий) с квантовой механикой и многочисленные попытки объяснения «квантовой гравитации», ученые до сих пор не достигли полного успеха. Тем не менее, некоторые считают, что мы приближаемся к определению того, можно ли объединить эти две теории или же они действительно несовместимы.

Основным претендентом на доказательство или опровержение квантовой природы гравитации является предложенный Ричардом Фейнманом эксперимент по проверке способности гравитации запутывать два массивных объекта. Теоретически такое запутывание указывало бы на квантовое поведение. Хотя в 1957 году, когда Фейнман предложил эту идею, провести такой эксперимент было невозможно, новые научные достижения приближают его к реальности.

Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature, утверждает, что все несколько сложнее. Исследователи, участвовавшие в работе, определили с помощью расчетов, что запутывание не обязательно является доказательством квантовой гравитации — классическая гравитация также может создавать такое запутывание в некоторых случаях.

«Хотя запутывание можно использовать как свидетельство квантовой природы гравитации, в отличие от ранее рассматриваемого, это не является однозначным и, вместо этого, представляет собой фундаментально феноменологическую проблему: это зависит от параметров и формы эксперимента», — объясняют авторы исследования.

Команда утверждает, что ключом является использование квантовой теории поля. Современная точка зрения заключается в том, что классическая гравитация может включать только локальные операции и обмен классической информацией (LOCC), что означает, что она не должна создавать запутывание, поскольку это было бы «нефизично» и требовало бы передачи информации быстрее скорости света. Но когда команда объединила квантовую теорию поля для материи с классической гравитацией, они обнаружили нечто иное.

«Здесь мы показываем, что локальные классические теории гравитации действительно могут генерировать квантовую коммуникацию и, следовательно, запутывание. Аргументы и теоремы о работе классической гравитации только как LOCC неявно рассматривают материю в стандартной квантовой механике. Однако, насколько нам известно, материя подчиняется квантовой теории поля (КТП), и когда это учитывается, мы показываем, что классическое гравитационное взаимодействие естественным образом приводит к квантовой коммуникации», — пишут они.

Команда объясняет, что эта квантовая коммуникация возникает из виртуальных пропагаторов материи, а не предполагаемых виртуальных пропагаторов гравитонов. Они утверждают, что предыдущие теоремы принимали слишком ограничительный взгляд на то, из чего состоит гравитационное взаимодействие. По их словам, в то время как квантовая гравитация включает только виртуальные пропагаторы гравитонов, квантовая теория поля также включает виртуальные пропагаторы материи.

Согласно их расчетам, оба подхода могут приводить к запутыванию. Таким образом, запутывание в экспериментах, подобных предложенному Фейнманом, не является однозначным доказательством квантовой гравитации.

К счастью, эксперимент Фейнмана все еще полезен. Хотя и классическая, и квантовая гравитация, по-видимому, создают запутывание, они делают это с разной интенсивностью. Сила зависит от параметров, таких как масса и продолжительность эксперимента, и все еще может быть различимо, был ли эффект квантовым или классическим. Тем не менее, результаты этого исследования, вероятно, усложнили работу по крайней мере нескольким физикам.

Больше информации: Джозеф Азиз и соавт., Classical theories of gravity produce entanglement, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09595-7