Хуан Малдасена
«В мире науки» №2, 2006

Непростое объединение

Для многих физиков квантовая теория гравитации — это Чаша святого Грааля, потому что вся физика за исключением сил тяготения прекрасно описывается квантовыми законами. Примерно 80 лет назад квантовая механика была разработана для описания частиц и сил в атомных и субатомных масштабах, при которых становятся существенными квантовые эффекты. В квантовых теориях у объектов нет определенных положений и скоростей, и все описывается вероятностями и волнами, занимающими определенные области пространства. В квантовом мире все пребывает в постоянном движении: даже «пустое» пространство заполнено так называемыми виртуальными частицами, которые непрерывно возникают и исчезают.

Вместе с тем общая теория относительности (лучшая теория гравитации) является принципиально классической (то есть неквантовой). Великое творение Эйнштейна гласит, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно оказываются в гравитационном поле. Общая теория относительности чрезвычайно стройна и красива, а многие ее предсказания проверены с величайшей точностью.

В классических теориях объекты имеют определенные положения и скорости, подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца. Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Кроме того, пустое релятивистское пространство-время является идеально гладким независимо от того, насколько детально его исследуют. Оно представляет собой абсолютно ровную арену, на которой выступают вещество и энергия.

Проблема создания квантовой версии общей теории относительности не только в том, что в масштабе атомов и электронов у частиц нет определенных положений и скоростей. В еще более малых масштабах, сопоставимых с длиной Планка (~10–35 м), квантовое пространство-время должно представлять собой кипящую пену, море виртуальных частиц, заполняющее все пустое пространство. В условиях, когда вещество и пространство-время столь изменчивы, уравнения общей теории относительности теряют смысл. Если мы предположим, что вещество повинуется законам квантовой механики, а гравитация подчиняется общей теории относительности, то столкнемся с математическими противоречиями. Поэтому-то и необходима квантовая теория гравитации.

В большинстве ситуаций противоречивые требования квантовой механики и общей теории относительности не представляют проблемы, поскольку или квантовые, или гравитационные эффекты оказываются настолько малыми, что ими можно пренебречь. Однако при сильном искривлении пространства-времени становятся существенными квантовые аспекты гравитации. Чтобы создать большое искривление пространства-времени требуется очень большая масса или большая ее концентрация. Даже Солнце не способно настолько искривить пространство-время, чтобы проявления квантовых эффектов гравитации стали очевидными.

Хотя в настоящее время квантовые эффекты пренебрежимо малы, они играли важнейшую роль на начальных стадиях Большого взрыва. Ими же определяются процессы, протекающие в черных дырах. Поскольку гравитация связана с искривлением пространства-времени, квантовая теория гравитации будет теорией квантового пространства-времени. Она поможет физикам понять, из чего состоит пространственно-временная пена, упомянутая ранее.

Многообещающий подход к квантовой теории гравитации — теория струн, которую физики-теоретики разрабатывают с 1970-х годов. С ее помощью удается устранить некоторые препятствия, мешающие построить логически последовательную квантовую теорию гравитации. Однако теория струн все еще в стадии разработки: физикам пока неизвестны ни ее точные уравнения, ни фундаментальные принципы, определяющие их форму. Кроме того, есть целый ряд физических величин, значения которых невозможно вывести из имеющихся уравнений.

Обзор: Эквивалентные миры

  • Согласно одной замечательной теории, вселенная, которая существует в двух измерениях и не содержит гравитации, может быть полностью эквивалентна трехмерной вселенной с гравитацией. Трехмерный мир мог бы возникнуть из физики двумерной вселенной, как объемное голографическое изображение из плоской голограммы.
  • Двумерная вселенная существует на границе трехмерной, где существуют сильно взаимодействующие кварки и глюоны. Физика во внутреннем объеме включает квантовую теорию гравитации, которую специалисты по теории струн пытались разработать в течение многих десятилетий.
  • Эквивалентность предоставляет новый подход к пониманию свойств черных дыр, которое требует правильного объединения квантовой механики и теории тяготения. Математическая часть теории еще не была строго проверена, но она, похоже, полезна для анализа последних экспериментальных данных физики высоких энергий.

В последние годы теоретики получили множество интересных результатов, заставляющих по-новому взглянуть на квантовое пространство-время (см. Ландшафт теории струн, «В мире науки» №12, 2004). Недавно появилось первое полное, логически последовательное квантовое описание гравитации в отрицательно искривленном пространстве-времени, для которого голографические теории верны.


2
Показать комментарии (2)
Свернуть комментарии (2)

  • nipolin  | 31.07.2011 | 15:04 Ответить
    Гравитация и инерция
    Видимая материя – 5%, тёмная материя – 20%, тёмная энергия – 75%.
    F=g*m1*m2/r*r
    F=g*m1*m2/r*r-k*m1*m2*r > F=взаимодействие вещества с тёмной материей - взаимодействие вещества с тёмной энергией.
    Тёмная материя – антигравитоны с отрицательной массой. Они по ту сторону вакуума. Их взаимодействие с видимой материей обеспечивает ньютоново притяжение (=гравитация) и инерцию. Антигравитоны – свойство видимой материи. Обмен антигравитонами с отрицательной массой вызывает притяжение. Отрицательная масса по ту сторону вакуума оказывается для нас положительной тёмной материей по эту сторону вакуума.
    Тёмная энергия – свойство пространства. Гравитоны с положительной массой, взаимодействуя с веществом, заставляют его разбегаться. Они также обеспечивают свой вклад в инерцию. Количество этих гравитонов пропорционально расстоянию, а не обратно пропорционально квадрату расстояния, как в случае с тёмной материей. Поэтому чем больше расстояние между галактики, тем больше ускорение разбегания. Максимальный радиус галактики ~ соответствует равенству двух частей формулы g*m1*m2/r*r-k*m1*m2*r. Отсюда можно оценить величину k.
    k=g/r*r*r
    Ответить
  • ASY-Lviv  | 05.06.2016 | 01:59 Ответить
    Каждый день преодолевая гравитационное притяжение к поверхности движения, непозволительно даже думать, что Гравитация это иллюзия!
    Почему бы показательно не прыгнуть с 9 этажа на тротуар покончив с собой и иллюзией одновременно? Отчаянная метафизика на марше! Пусть почитает
    "Квантовая кинематика космоса" и спокойно подойдёт к окну, пора...
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»