Главная Физика 4 причины того, почему нам нужна квантовая теория гравитации

Почему гравитация отличается от других сил природы?

Физики доказали, что три из четырех сил природы — электромагнитные, сильные и слабые ядерные связи - берут свое начало в квантовых частицах. Но с четвертой фундаментальной составляющей, гравитацией, дело обстоит иначе.

Наша современное понимание гравитации, разработанное Альбертом Эйнштейном, говорит, что яблоки падают с деревьев, а планеты вращаются вокруг звезд потому, что они движутся по кривым в пространственно-временном континууме. Эти кривые и есть гравитация.

Согласно Эйнштейну, гравитация - это свойство пространственно-временной среды; на этой сцене действуют другие силы природы.

Но вблизи центра черной дыры или в первые мгновения существования Вселенной уравнения Эйнштейна нарушаются. Физикам нужна более верная картина гравитации, чтобы точно описать экстремальные явления. Истинная теория должна давать те же предсказания, что и уравнения Эйнштейна для «обычного» мира.

Физики считают, что в такой более правдивой теории гравитация должна иметь квантовую форму, как и другие силы природы. Исследователи ищут квантовую теорию гравитации с конца 1930-х годов.

Они предложили ряд кандидатов, - в частности, теорию струн, которая утверждает, что гравитация и все другие явления возникают из невообразимо малых вибрирующих струн. Но пока эти идеи остаются всего лишь предположениями: гравитация, как и струны, до конца не понятны.

Рабочая квантовая теория гравитации - это, возможно, самая высокая цель в физике на сегодняшний день.

Что же делает гравитацию уникальной? Что такого особенного в четвертой силе, которая мешает исследователям найти ее квантовое описание?

Мы опросили четырех разных исследователей квантовой гравитации. И получили четыре разных ответа.

Общая теория относительности Эйнштейна и сингулярность

Клаудия де Рам, физик-теоретик из Имперского колледжа Лондона, работает над теорией массивной гравитации, согласно которой квантованные единицы гравитации - это массивные частицы:

Астрофизик Клаудия де Рам получает награду от своих учеников

Общая теория относительности Эйнштейна правильно описывает поведение гравитации почти на 30 порядках величины, от субмиллиметровых масштабов до космологических расстояний.

Ни одна другая сила природы не была описана с такой точностью и в таком разнообразии. При dscjxfqitv уровне безупречного согласия с экспериментами и наблюдениями общая теория относительности может показаться окончательным описанием гравитации. Однако она примечательна тем, что предсказывает свое собственное падение.

Теория Эйнштейна предсказывает поведение черных дыр и описывает Большой взрыв в момент зарождения нашей Вселенной. Однако "сингулярности", загадочные точки, где кривизна пространства-времени, кажется, становится бесконечной, действуют как флажки, сигнализирующие о разрушении ОТО.

По мере приближения к сингулярности в центре черной дыры или к сингулярности Большого взрыва предсказания, вытекающие из  теории относительности, перестают быть адекватными.

Cвежие кадры с камеры Инженьюити, сделанные во время 36-го полёта в атмосфере Марса

На ее смену должно прийти более фундаментальное, глубинное описание пространства и времени. Если мы откроем новый слой физики, то, возможно, сможем достичь нового понимания и пространства, и времени.

Если бы гравитация была аналогом любой других сил природы, мы могли бы надеяться на более глубокое ее изучение путем проведения инженерных экспериментов, способных достигать все больших энергий и меньших расстояний.

Но гравитация — это не обычная сила. Попробуйте заставить ее раскрыть свои секреты до определенного предела, и экспериментальная аппаратура сама превратится в черную дыру.

Квантовая гравитация и принцип локальности

Дэниел Харлоу, теоретик квантовой гравитации из Массачусетского технологического института, известен тем, что применил квантовую теорию информации к изучению гравитации и черных дыр:

Дэниель Харлоу, астрофизик

Черные дыры - это причина, по которой трудно совместить гравитацию с квантовой механикой. Черные дыры могут быть только следствием гравитации, потому что гравитация - это единственная сила, которая ощущается всеми видами материи.

Если бы существовал какой-либо тип частиц, не ощущающих гравитацию, мы могли бы использовать ее для передачи сообщения изнутри черной дыры, так что на самом деле она не была бы черной.

Тот факт, что вся материя ощущает гравитацию, накладывает ограничение на возможные виды экспериментов: какой бы аппарат вы ни построили, из чего бы он ни был сделан, он не должен быть слишком тяжелым, иначе обязательно гравитационно схлопнется в черную дыру.

Такое ограничение не имеет значения в повседневных ситуациях, но оно становится существенным, если вы пытаетесь провести эксперимент для измерения квантово-механических свойств гравитации.

Наше понимание других сил природы построено на принципе локальности, который гласит, что переменные, описывающие происходящее в каждой точке пространства - например, напряженность электрического поля - могут изменяться независимо друг от друга.

Более того, эти переменные, которые мы называем "степенями свободы", напрямую влияют только на своих непосредственных соседей. Локальность важна для того, как мы сейчас описываем частицы и их взаимодействие, потому что она сохраняет причинно-следственные связи.

 

Если бы степени свободы здесь, в Кембридже, штат Массачусетс, зависели от степеней свободы в Сан-Франциско, мы могли бы использовать эту зависимость для достижения мгновенной связи между двумя городами или даже для отправки информации назад во времени, что привело бы к возможным нарушениям причинности.

Гипотеза локальности была очень хорошо проверена в обычных условиях. Можно предположить, что она распространяется на очень короткие расстояния, которые имеют значение для квантовой гравитации (малые расстояния, потому что гравитация намного слабее других сил).

Чтобы подтвердить, что локальность сохраняется на таких расстояниях, нам нужно построить аппарат, способный проверить независимость степеней свободы, разделенных предельно малыми расстояниями.

Однако простой расчет показывает, что аппарат, который должен избежать больших квантовых флуктуаций во время эксперимента, окажется на столько весомым, что без труда коллапсирует в черную дыру! Поэтому эксперименты, подтверждающие локальность в таком масштабе, невозможны. Поэтому квантовой гравитации нет необходимости соблюдать локальность на таких масштабах.

Действительно, наше понимание черных дыр на сегодняшний день предполагает, что любая теория квантовой гравитации должна иметь значительно меньше степеней свободы, чем мы ожидаем, основываясь на опыте с другими силами.

Эта идея сформулирована в "голографическом принципе", который, грубо говоря, гласит, что количество степеней свободы в пространственной области пропорционально площади ее поверхности, а не ее объему.

Пространство-время из Ничто

Хуан Мальдасена, теоретик квантовой гравитации из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, наиболее известен тем, что обнаружил голограммоподобную связь между гравитацией и квантовой механикой:

Хуан Мальдасена, физик-теоретик

Частицы могут демонстрировать множество интересных и удивительных явлений. Мы можем наблюдать спонтанное создание частиц, запутывание между состояниями частиц, находящихся на большом расстоянии друг от друга, и частицы в суперпозиции в нескольких локациях.

В квантовой гравитации само пространство-время ведет себя по-новому. Вместо создания частиц мы говорим о творении вселенных. Считается, что запутанность создает связи между удаленными областями пространства-времени. Мы же имеем суперпозиции вселенных с различными геометриями пространства-времени.

Кроме того, с точки зрения физики частиц, вакуум пространства представляет собой сложный объект. Мы можем представить множество сущностей, называемых полями, наложенных друг на друга и простирающихся по всему пространству.

Значение каждого поля постоянно колеблется на малых расстояниях. Из этих флуктуирующих полей и их взаимодействий возникает состояние вакуума. Частицы представляют собой возмущения в этом вакуумном состоянии. То есть материя и мы в том числе - это дефекты в структуре вакуума.

 

Когда мы рассматриваем гравитацию, мы обнаруживаем, что расширение Вселенной, по-видимому, приводит к тому, что из ничего возникает все больше и больше вакуумного материала.

Когда создается пространство-время, оно оказывается в состоянии, соответствующем вакууму без каких-либо дефектов. Как вакуум появляется именно в таком состоянии - один из главных вопросов, на которые нам нужно ответить, чтобы получить последовательное квантовое описание черных дыр. И космологии. Происходит своего рода растяжение пространства-времени, что приводит к созданию большего количества вакуумных субстанций.

Квантовая версия общей теории относительности Эйнштейна

Сера Кремонини, физик-теоретик из Университета Лихай, работает над теорией струн, квантовой гравитации и космологии:

 

Существует множество причин, по которым гравитация является особенной. Позвольте мне сосредоточиться на одном аспекте - идее о том, что квантовая версия общей теории относительности Эйнштейна является "ненормализуемой". Прежде всего для поведения гравитации при высоких энергиях.

В квантовых теориях бесконечные члены появляются, когда вы пытаетесь рассчитать, как рассеиваются и взаимодействуют очень энергичные частицы. В перенормируемых теориях, к которым относятся теории, описывающие все силы природы, мы можем добавить другие величины, которые эффективно отменяют друг друга, так называемые контртермины. Такой процесс перенормировки приводит к физически разумным ответам, согласованными с экспериментами очень высокой точности.

Проблема квантовой версии общей теории относительности заключается в том, что расчеты, описывающие взаимодействие очень энергичных гравитонов - квантованных единиц гравитации - имеют бесконечное множество бесконечных членов.

Вам пришлось бы добавлять бесконечно много контртерминов. Ренормализация потерпела бы неудачу. Из-за этого квантовая версия общей теории относительности Эйнштейна не является хорошим описанием гравитации. Должно быть, в ней отсутствуют некоторые ключевые свойства и ингредиенты, и о них мы ничего не знаем.

 

Тем не менее, мы все еще можем получить очень хорошее приблизительное описание гравитации, используя стандартные квантовые методы, которые работают для других взаимодействий в природе.

Решающим моментом является то, что приблизительное описание гравитации разрушится на некотором энергетическом масштабе - или, эквивалентно, ниже некоторой длины.

Выше этой шкалы энергии или ниже соответствующей шкалы длины мы ожидаем найти новые степени свободы и новые симметрии.

Для точного отражения подобных особенностей нам нужна новая теоретическая основа. Именно здесь на помощь приходит теория струн или ее подходящее обобщение.

Согласно этому подходу, на очень малых расстояниях гравитоны и другие частицы представляют собой вытянутые объекты, называемые струнами. Изучение этой возможности может преподать нам ценные уроки о квантовом поведении гравитации.

По материалам Quantum Magazine