Фізики довели, що три з чотирьох сил природи - електромагнітні, сильні та слабкі ядерні зв'язки - беруть свій початок у квантових частинках. Але з четвертою фундаментальною складовою, гравітацією, все інакше.
Наше сучасне розуміння гравітації, розроблене Альбертом Ейнштейном, говорить, що яблука падають з дерев, а планети обертаються навколо зірок тому, що вони рухаються кривими в просторово-часовому континуумі. Ці криві і є гравітація.
Згідно з Ейнштейном, гравітація - це властивість просторово-часового середовища; на цій сцені діють інші сили природи.
Але поблизу центру чорної діри або в перші миті існування Всесвіту рівняння Ейнштейна порушуються. Фізикам потрібна більш правильна картина гравітації, щоб точно описати екстремальні явища. Справжня теорія має давати ті самі передбачення, що й рівняння Ейнштейна для "звичайного" світу.
Фізики вважають, що в такій більш правдивій теорії гравітація повинна мати квантову форму, як і інші сили природи. Дослідники шукають квантову теорію гравітації з кінця 1930-х років.
Вони запропонували низку кандидатів, - зокрема, теорію струн, яка стверджує, що гравітація і всі інші явища виникають з неймовірно малих вібруючих струн. Але поки що ці ідеї залишаються лише припущеннями: гравітація, як і струни, до кінця не зрозумілі.
Робоча квантова теорія гравітації - це, можливо, найвища мета у фізиці на сьогоднішній день.
Що ж робить гравітацію унікальною? Що такого особливого в четвертій силі, яка заважає дослідникам знайти її квантовий опис?
Ми опитали чотирьох різних дослідників квантової гравітації. І отримали чотири різні відповіді.
Загальна теорія відносності Ейнштейна і сингулярність
Клаудія де Рам, фізик-теоретик з Імперського коледжу Лондона, працює над теорією масивної гравітації, згідно з якою квантовані одиниці гравітації - це масивні частинки:
Загальна теорія відносності Ейнштейна правильно описує поведінку гравітації майже на 30 порядках величини, від субміліметрових масштабів до космологічних відстаней.
Жодна інша сила природи не була описана з такою точністю і в такому розмаїтті. За dscjxfqitv рівня бездоганної згоди з експериментами і спостереженнями загальна теорія відносності може здатися остаточним описом гравітації. Однак вона примітна тим, що передбачає своє власне падіння.
Теорія Ейнштейна пророкує поведінку чорних дір і описує Великий вибух у момент зародження нашого Всесвіту. Однак "сингулярності", загадкові точки, де кривизна простору-часу, здається, стає нескінченною, діють як прапорці, що сигналізують про руйнування ЗТВ.
У міру наближення до сингулярності в центрі чорної діри або до сингулярності Великого вибуху передбачення, що випливають із теорії відносності, перестають бути адекватними.
На її зміну має прийти більш фундаментальний, глибинний опис простору і часу. Якщо ми відкриємо новий шар фізики, то, можливо, зможемо досягти нового розуміння і простору, і часу.
Якби гравітація була аналогом будь-яких інших сил природи, ми могли б сподіватися на глибше її вивчення шляхом проведення інженерних експериментів, здатних досягати дедалі більших енергій і менших відстаней.
Але гравітація - це не звичайна сила. Спробуйте змусити її розкрити свої секрети до певної межі, і експериментальна апаратура сама перетвориться на чорну діру.
Квантова гравітація і принцип локальності
Деніел Харлоу, теоретик квантової гравітації з Массачусетського технологічного інституту, відомий тим, що застосував квантову теорію інформації до вивчення гравітації та чорних дір:
Чорні діри - це причина, через яку важко поєднати гравітацію з квантовою механікою. Чорні діри можуть бути тільки наслідком гравітації, тому що гравітація - це єдина сила, яка відчувається всіма видами матерії.
Якби існував якийсь тип частинок, які не відчувають гравітацію, ми могли б використовувати її для передачі повідомлення зсередини чорної діри, так що насправді вона не була б чорною.
Той факт, що вся матерія відчуває гравітацію, накладає обмеження на можливі види експериментів: який би апарат ви не побудували, з чого б він не був зроблений, він не повинен бути занадто важким, інакше обов'язково гравітаційно схлопнеться в чорну діру.
Таке обмеження не має значення в повсякденних ситуаціях, але воно стає суттєвим, якщо ви намагаєтеся провести експеримент для вимірювання квантово-механічних властивостей гравітації.
Наше розуміння інших сил природи побудовано на принципі локальності, який говорить, що змінні, які описують те, що відбувається в кожній точці простору, - наприклад, напруженість електричного поля - можуть змінюватися незалежно одна від одної.
Ба більше, ці змінні, які ми називаємо "ступенями свободи", безпосередньо впливають тільки на своїх безпосередніх сусідів. Локальність важлива для того, як ми зараз описуємо частинки та їхню взаємодію, тому що вона зберігає причинно-наслідкові зв'язки.
Якби ступені свободи тут, у Кембриджі, штат Массачусетс, залежали від ступенів свободи в Сан-Франциско, ми могли б використати цю залежність для досягнення миттєвого зв'язку між двома містами або навіть для надсилання інформації назад у часі, що призвело б до можливих порушень причинності.
Гіпотеза локальності була дуже добре перевірена у звичайних умовах. Можна припустити, що вона поширюється на дуже короткі відстані, які мають значення для квантової гравітації (малі відстані, тому що гравітація набагато слабкіша за інші сили).
Щоб підтвердити, що локальність зберігається на таких відстанях, нам потрібно побудувати апарат, здатний перевірити незалежність ступенів свободи, розділених гранично малими відстанями.
Однак простий розрахунок показує, що апарат, який має уникнути великих квантових флуктуацій під час експерименту, виявиться на стільки вагомим, що без зусиль колапсує в чорну діру! Тому експерименти, що підтверджують локальність у такому масштабі, неможливі. Тому квантовій гравітації немає необхідності дотримуватися локальності на таких масштабах.
Дійсно, наше розуміння чорних дір на сьогодні передбачає, що будь-яка теорія квантової гравітації повинна мати значно менше ступенів свободи, ніж ми очікуємо, ґрунтуючись на досвіді з іншими силами.
Цю ідею сформульовано в "голографічному принципі", який, грубо кажучи, свідчить, що кількість ступенів свободи в просторовій області пропорційна площі її поверхні, а не її обсягу.
Простір-час із Ніщо
Хуан Мальдасена, теоретик квантової гравітації з Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, штат Нью-Джерсі, найбільш відомий тим, що виявив голограмоподібний зв'язок між гравітацією і квантовою механікою:
Частинки можуть демонструвати безліч цікавих і дивовижних явищ. Ми можемо спостерігати спонтанне створення частинок, заплутування між станами частинок, які перебувають на великій відстані одна від одної, і частинки в суперпозиції в декількох локаціях.
У квантовій гравітації сам простір-час поводиться по-новому. Замість створення частинок ми говоримо про створення всесвітів. Вважається, що заплутаність створює зв'язки між віддаленими областями простору-часу. Ми ж маємо суперпозиції всесвітів із різними геометріями простору-часу.
Крім того, з точки зору фізики частинок, вакуум простору являє собою складний об'єкт. Ми можемо уявити безліч сутностей, званих полями, які накладені одна на одну і простягаються по всьому простору.
Значення кожного поля постійно коливається на малих відстанях. Із цих полів, що флуктуюють, та їхніх взаємодій виникає стан вакууму. Частинки являють собою збурення в цьому вакуумному стані. Тобто матерія і ми зокрема - це дефекти в структурі вакууму.
Коли ми розглядаємо гравітацію, ми виявляємо, що розширення Всесвіту, мабуть, призводить до того, що з нічого виникає дедалі більше і більше вакуумного матеріалу.
Коли створюється простір-час, він виявляється в стані, що відповідає вакууму без будь-яких дефектів. Як вакуум з'являється саме в такому стані - одне з головних питань, на які нам потрібно відповісти, щоб отримати послідовний квантовий опис чорних дір. І космології. Відбувається свого роду розтягнення простору-часу, що призводить до створення більшої кількості вакуумних субстанцій.
Квантова версія загальної теорії відносності Ейнштейна
Сера Кремоніні, фізик-теоретик з Університету Ліхай, працює над теорією струн, квантовою гравітацією і космологією:
Існує безліч причин, через які гравітація є особливою. Дозвольте мені зосередитися на одному аспекті - ідеї про те, що квантова версія загальної теорії відносності Ейнштейна є "ненормалізованою". Насамперед для поведінки гравітації за високих енергій.
У квантових теоріях нескінченні члени з'являються, коли ви намагаєтеся розрахувати, як розсіюються і взаємодіють дуже енергійні частинки. У перенормованих теоріях, до яких належать теорії, що описують усі сили природи, ми можемо додати інші величини, які ефективно скасовують одна одну, так звані контртерміни. Такий процес перенормування призводить до фізично розумних відповідей, узгоджених з експериментами дуже високої точності.
Проблема квантової версії загальної теорії відносності полягає в тому, що розрахунки, які описують взаємодію дуже енергійних гравітонів - квантованих одиниць гравітації, - мають безліч нескінченних нескінченних членів.
Вам довелося б додавати нескінченно багато контртермінів. Ренормалізація зазнала б невдачі. Через це квантова версія загальної теорії відносності Ейнштейна не є хорошим описом гравітації. Мабуть, у ній відсутні деякі ключові властивості та інгредієнти, і про них ми нічого не знаємо.
Проте ми все ще можемо отримати дуже хороший приблизний опис гравітації, використовуючи стандартні квантові методи, які працюють для інших взаємодій у природі.
Вирішальним моментом є те, що приблизний опис гравітації зруйнується на певному енергетичному масштабі - або, еквівалентно, нижче певної довжини.
Вище цієї шкали енергії або нижче за відповідну шкалу довжини ми очікуємо знайти нові ступені свободи та нові симетрії.
Для точного відображення подібних особливостей нам потрібна нова теоретична основа. Саме тут на допомогу приходить теорія струн або її відповідне узагальнення.
Згідно з цим підходом, на дуже малих відстанях гравітони та інші частинки являють собою витягнуті об'єкти, звані струнами. Вивчення цієї можливості може дати нам цінні уроки про квантову поведінку гравітації.
За матеріалами Quantum Magazine
