Гравитация больше не является загадкой для физиков — по крайней мере, когда речь идет о больших расстояниях. Благодаря науке возможно вычислять орбиты планет, предсказать приливы и запускать ракеты в космос. Однако теоретическое описание гравитации достигает своих пределов на уровне мельчайших частиц, так называемом квантовом уровне.

«Чтобы объяснить Большой взрыв или внутреннее строение чёрных дыр, нам необходимо понять квантовые свойства гравитации. При очень высоких энергиях классические законы гравитации не действуют. Поэтому наша цель — внести вклад в разработку новых теорий, которые могут объяснить гравитацию на всех масштабах, в том числе на квантовом уровне», — объяснила профессор Йоханна Эрдменгер, заведующая кафедрой теоретической физики III в Университете Вюрцбурга (JMU) в Баварии.

Источник: DALL-E

AdS/CFT (Anti-de Sitter/Conformal Field Theory) — это математическая теория, которая описывает связь между гравитационными системами в пространстве-времени с отрицательной кривизной (Anti-de Sitter) и конформными теориями поля (Conformal Field Theory), утверждая, что гравитационные системы в AdS можно описать с помощью конформных теорий поля, на границе этого пространства-времени. Эта теория, предложенная Хуаном Малдасеной в 1997 году, имеет ряд интересных последствий, включая описание гравитационных систем в терминах конформных теорий поля, изучение свойств чёрных дыр и других гравитационных объектов, и связь между гравитацией и конформными теориями поля, что может помочь в понимании фундаментальных законов природы.

AdS означает особый тип пространства-времени, искривлённого вовнутрь, подобно гиперболе. CFT означает конформную теорию поля, описывающую квантовые физические системы, свойства которых одинаковы на всех пространственных расстояниях.

«Сначала это звучит очень сложно, но объяснить это легко. Соответствие AdS/CFT позволяет нам понять сложные гравитационные процессы, например, те, что существуют в квантовом мире, используя более простые математические модели. В основе лежит искривлённое пространство-время, которое можно представить как воронку», — объяснила Эрдменгер.

Иллюстрация теории, используемой для моделирования квантовой гравитации: Решётка имитирует искривлённое пространство-время — вблизи границы решётка плотнее из-за кривизны. Взаимодействующие электрические сигналы (жёлтая, красная и синяя линии) в объёме имитируют гравитационную динамику. Динамика в объёме и на внешней границе соответствует друг другу. Они согласуются с соответствием AdS/CFT. Источник: Erdmenger/JMU, Böttcher/Alberta

Соответствие утверждает, что квантовая динамика на краю воронки должна соответствовать более сложной динамике внутри — подобно голограмме, которая выглядит как трёхмерное изображение, хотя сама по себе является двумерной.

Вместе со своей командой Эрдменгер разработала метод экспериментальной проверки предсказаний ранее неподтверждённого соответствия AdS/CFT. Разветвлённая электрическая цепь используется для имитации искривлённого пространства-времени — электрические сигналы в отдельных точках разветвления цепи соответствуют гравитационной динамике, которая будет обнаружена в различных точках пространства-времени.

Теоретические расчёты исследовательской группы показывают, что в предлагаемой схеме динамика на краю имитируемого пространства-времени также соответствует внутренней — и, таким образом, схема может реализовать центральное предсказание соответствия AdS/CFT.

В качестве следующего шага исследовательская группа планирует применить на практике экспериментальную установку, описанную в исследовании. Помимо значительных достижений в гравитационных исследованиях, это также может привести к техническим инновациям.

«Наши схемы также открывают новые технологические приложения. Основанные на квантовой технологии, они, как ожидается, будут передавать электрические сигналы с уменьшенными потерями, поскольку имитируемая кривизна пространства связывает и стабилизирует сигналы. Это было бы прорывом для передачи сигналов в нейронных сетях, используемых, например, для искусственного интеллекта», — добавила Эрдменгер.