Квантовая гравитация: что мы знаем о ней сегодня?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Слияние двух столпов современной физики — общей теории относительности (ОТО) и квантовой механики — остается одной из самых интригующих и сложных задач, стоящих перед учеными. Эта загадка, известная как «квантовая гравитация», заставляет нас переосмысливать наши представления о природе Вселенной и толкает к поиску новых теоретических подходов.

Квантовая пена пространства-времени с флуктуациями на планковском масштабе (вольная интерпретация)
Квантовая пена пространства-времени с флуктуациями на планковском масштабе (вольная интерпретация)
Автор: Designer

От Эйнштейна до струн: исторический экскурс

Попытки примирить ОТО и квантовую механику начались еще в 1930-х годах, когда Леон Розенфельд попытался применить методы квантовой теории поля к гравитации. Тогда же ученые столкнулись с проблемой бесконечностей, возникающих при квантовании гравитационного поля. Этот вызов заставил физиков искать новые пути, и одним из них стало использование «эффективных теорий поля» (ЭТП).

В 1960-х годах, благодаря развитию ренормализационных техник, появились первые «контртермы», которые позволили «укротить» бесконечности в квантовой гравитации. Это привело к идее, что ОТО — это лишь низкоэнергетическое приближение более фундаментальной теории квантовой гравитации.

На этой диаграмме Фейнмана электрон (e-) и позитрон (e+) аннигилируют, производя фотон (γ, представленный синей синусоидой), который превращается в кварк-антикварковую пару (кварк q, антикварк q̄), после чего антикварк излучает глюон (g, представленный зеленой спиралью).
На этой диаграмме Фейнмана электрон (e-) и позитрон (e+) аннигилируют, производя фотон (γ, представленный синей синусоидой), который превращается в кварк-антикварковую пару (кварк q, антикварк q̄), после чего антикварк излучает глюон (g, представленный зеленой спиралью).
Автор: By Joel Holdsworth (Joelholdsworth) — Non-Derived SVG of Radiate gluon. png, originally the work of SilverStar at Feynmann-diagram-gluon-radiation.svg, updated by joelholdsworth., Public Domain Источник: commons.wikimedia.org

В этот период также возник интерес к «теориям с высшими производными», которые содержат в своих уравнениях дополнительные члены с производными метрики высших порядков. Эти теории появились как попытка обобщить ОТО и устранить некоторые ее недостатки. Однако они также столкнулись с проблемами, такими как нарушение унитарности и появление «призрачных» состояний с отрицательной энергией.

«Вирус» ЭТП и смена парадигмы

В 1970-х годах, благодаря работам Кеннета Вильсона и развитию теории ренормализационной группы, произошло радикальное изменение взглядов на квантовую теорию поля. Стивен Вайнберг, один из «отцов» Стандартной модели, предложил рассматривать как Стандартную модель, так и ОТО как эффективные теории поля, действующие в разных энергетических масштабах.

Эта смена парадигмы означала, что физики больше не обязаны искать единую «фундаментальную» теорию, описывающую все взаимодействия. Вместо этого, можно использовать ЭТП для получения конкретных предсказаний в разных энергетических диапазонах, не беспокоясь о деталях высокоэнергетической физики.

Теория струн и квантовая гравитация

Поперечное сечение квинтического многообразия Калаби-Яу. Получено с использованием методов, описанных в Hanson (1994),
Поперечное сечение квинтического многообразия Калаби-Яу. Получено с использованием методов, описанных в Hanson (1994), «A construction for computer visualization of certain complex curves», Notices of the Amer.Math.Soc. 41(9): 1156-1163.
Автор: Авторство: производное произведение: Polytope24 / Calabi yau. jpg: Jbourjai (using Mathematica output). Этот файл является производной работой от: Calabi yau. jpg, Общественное достояние Источник: commons.wikimedia.org

В 1980-х годах Теория струн (СТ) возникла как возможный кандидат на УФ-полную теорию квантовой гравитации. Теория струн в своем низкоэнергетическом пределе предсказывает эйнштейновскую гравитацию, связанную с полями материи, обеспечивая естественную основу для исследования квантовой гравитации. Однако первоначальный энтузиазм по поводу теории струн как теории всего был сдержан осознанием того, что она предсказывает дополнительные пространственные измерения и обширный ландшафт возможных вакуумов, что привело к трудностям в извлечении конкретных предсказаний и вызвало критику предсказуемости и проверяемости теории.

С болота на твердую почву: программа «болота»

В 2000-х годах возникла новая исследовательская программа, известная как «болото» (Swampland), которая стремится установить границы между теориями, которые могут быть встроены в квантовую гравитацию, и теми, которые не могут. Это привело к формулировке различных «гипотез болота», которые накладывают ограничения на возможные свойства эффективных теорий поля.

Программа «болота» представляет собой важный сдвиг фокуса в исследованиях квантовой гравитации, побуждая физиков задавать более общие вопросы о свойствах эффективных теорий поля и искать закономерности, которые могут иметь наблюдательные следствия.

Вольная интерпретация понятия
Вольная интерпретация понятия «болота» в квантовой гравитации
Автор: Designer

Будущее квантовой гравитации: от теории к практике

Поиск квантовой гравитации остается одним из самых захватывающих направлений в современной физике. Эффективные теории поля и программа «болота» предоставляют мощные инструменты для изучения этого загадочного мира, открывая путь к новым открытиям и расширяя границы нашего понимания Вселенной.

Если ОТО и квантовая механика так хорошо работают по отдельности, почему так сложно их объединить?

Объединение ОТО и квантовой механики сталкивается с рядом фундаментальных трудностей. ОТО описывает гравитацию как искривление пространства-времени, в то время как квантовая механика оперирует дискретными квантами энергии и вероятностными процессами. При попытке квантовать гравитацию возникают бесконечности, которые невозможно устранить стандартными методами квантовой теории поля.

Может ли теория струн быть окончательным ответом на загадку квантовой гравитации?

Теория струн — один из самых перспективных кандидатов на роль теории квантовой гравитации. Она обладает многими привлекательными свойствами, такими как ультрафиолетовая конечность и возможность объединения всех фундаментальных взаимодействий. Однако, она также сталкивается с рядом вызовов, таких как предсказание дополнительных измерений и огромного количества возможных вакуумных состояний.

Струны, вибрирующие в многомерном пространстве (вольная интерпретация)
Струны, вибрирующие в многомерном пространстве (вольная интерпретация)
Автор: Designer
Как программа «болота» помогает нам понять ограничения на возможные теории квантовой гравитации?

Программа «болота» устанавливает границы между теориями, которые могут быть встроены в квантовую гравитацию, и теми, которые не могут. Гипотезы «болота» накладывают ограничения на возможные свойства эффективных теорий поля, помогая отсеять нереалистичные модели и направляя поиски в более перспективные области.

Какие экспериментальные подтверждения квантовой гравитации мы можем ожидать в будущем?

Экспериментальные тесты квантовой гравитации чрезвычайно сложны из-за слабости гравитационного взаимодействия на микроскопических масштабах. Однако, некоторые перспективные направления включают поиск квантовых эффектов в гравитационных волнах, изучение свойств черных дыр и исследования ранней Вселенной.

Как квантовая гравитация может изменить наше представление о Вселенной?

Квантовая гравитация может привести к революционным изменениям в нашем понимании Вселенной, помогая разрешить загадки, такие как природа темной материи и темной энергии, происхождение Большого взрыва и существование сингулярностей. Она также может привести к новым представлениям о пространстве, времени и природе реальности.

3 комментария

Добавить комментарий

a
Можно было написать короче — теория квантовой гравитации пока не существует и вряд ли в ближайшее время появится. А те модели, что имеются, никак нельзя проверить экспериментально…
з
Пару десятков мозголомов на все человечество безуспешно пытаются скрестить ужа и ежа, чтобы объяснить сущность бытия. И после этого нам с умным видом пытаются доказать, что все от микро до макромира возникло случайно?
k
всё было создано рептилоидами

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему компьютерные колонки трещали за секунду до звонка мобильного телефона

Телефон лежит на столе возле компьютера. В колонках неожиданно раздаётся знакомое «ты-ды-дыы, ты-ды-дыы». Через мгновение загорается экран и начинает играть мелодия вызова. Можно заранее потянуться...

Почему домашний йогурт готовится проще, чем кажется на самом деле

Если вы думаете, что приготовление домашнего йогурта — это сложно, дорого и требует каких-то особых кулинарных навыков, то спешу вас разубедить. На самом деле все гораздо проще. Вам не...

Почему механические клавиатуры — это прошлый век и за каким форматом будущее

Еще несколько лет назад механическая клавиатура считалась практически обязательным атрибутом игрового компьютера. Разнообразие переключателей, приятный звук нажатий, возможность подобрать усилие и...

Почему нельзя оставлять зарядное устройство от смартфона в розетке: скрытые риски, о которых многие забывают

Зарядка смартфона давно стала привычной частью домашнего быта. Телефон поставили на ночь, утром отключили кабель, а сам адаптер так и остался в розетке. Через несколько часов к нему снова подключат...

Почему у старых телефонов на спинке был ещё один разъём и как он выручал в начале 2000-х

В моей небольшой коллекции телефонов есть несколько экземпляров из первой половины 2000-х. Парочка из них (Siemens C72 и Alcatel One Touch 331) оснащена загадочным разъёмом, который располагается...

✦ ИИ  Как рассчитать вязкость смеси моторных масел. Метод Рефутаса

Допустим, у нас есть два моторных масла с разной кинематической вязкостью. Что получится, если смешать их в равных пропорциях? Можно ли заранее оценить вязкость полученной смеси? А если нужно...