Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
Квантовая гравитация
Материал из https://ru.wikipedia.org

Квантовая гравитация — направление исследований в теоретической физике, целью которого является квантовое описание гравитационного взаимодействия (и, в случае успеха, — объединение гравитации с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, описываемыми Стандартной моделью, то есть построение так называемой «теории всего»).

Содержание

Проблемы создания

Несмотря на активные исследования, теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность в её построении заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) — опираются на разные наборы принципов. Так, квантовая механика формулируется как теория, описывающая временную эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. В ОТО внешнего пространства-времени нет — оно само является динамической переменной теории, зависящей от характеристик находящихся в нём классических систем.

При переходе к квантовой гравитации, как минимум, нужно заменить системы на квантовые (то есть произвести квантование), при этом правая часть уравнений Эйнштейна — тензор энергии-импульса материи — становится квантовым оператором (тензорной плотностью энергии-импульса элементарных частиц). Возникающая связь требует какого-то квантования геометрии самого пространства-времени, причём физический смысл такого квантования абсолютно неясен и сколь-либо успешная непротиворечивая попытка его проведения отсутствует[1][2]. О квантовании геометрии пространства-времени см. также в статье Планковская длина.

Даже попытка провести квантование линеаризованной классической теории гравитации (ОТО) наталкивается на многочисленные технические трудности — квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией вследствие того, что гравитационная постоянная является размерной величиной[3][4]. А именно, в системе единиц гравитационная постоянная является размерной константой с размерностью обратного квадрата массы, как и фермиевская константа взаимодействия слабых токов , где  — масса протона[5].

Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий пока недоступны современным технологиям.[6] В связи с этим в поиске правильной формулировки квантовой гравитации приходится пока опираться только на теоретические выкладки.

Предпринимаются попытки квантования гравитации на основе геометродинамического подхода и на основе метода функциональных интегралов[7].

Другие подходы к проблеме квантования гравитации предпринимаются в теориях супергравитации и дискретного пространства-времени[5].

Перспективные кандидаты

Два основных направления, пытающихся построить квантовую гравитацию, — это теория струн и петлевая квантовая гравитация.

В первой из них вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны. Для многомерных задач браны являются многомерными частицами, но с точки зрения частиц, движущихся внутри этих бран, они являются пространственно-временными структурами.

Во втором подходе делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону; пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Хотя многие космологические модели могут описать поведение вселенной только начиная от планковского времени после Большого взрыва, петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, и даже заглянуть дальше. Петлевая квантовая гравитация, возможно, позволит описать все частицы Стандартной модели.

Основной проблемой тут является выбор координат. Можно сформулировать и общую теорию относительности в бескоординатной форме (например, с помощью внешних форм), однако вычисления тензора Римана осуществляются только в конкретной метрике.

Ещё одной перспективной теорией является причинная динамическая триангуляция. В ней пространственно-временное многообразие строится из элементарных евклидовых симплексов (треугольник, тетраэдр, пентахор) с учётом принципа причинности. Четырёхмерность и псевдоевклидовость пространства-времени в макроскопических масштабах в ней не постулируются, а являются следствием теории.

Другие подходы

Существуют бесчисленное количество подходов к квантовой гравитации. Подходы различаются в зависимости от характеристик, остающихся неизменными, и тех, которые меняются[8][9]. Примеры включают:

Экспериментальная проверка

Проводятся[когда?] первые опыты по выявлению квантовых свойств гравитации путём исследования гравитационного поля очень малых массивных тел, которые удаётся перевести в состояние квантовой суперпозиции[19].

См. также

Примечания
  1. Юкава Х. Лекции по физике. — М., Энергоиздат, 1981. — с. 78-81
  2. Более того, наивный «решёточный подход» к квантованию пространства-времени, как оказывается, не допускает правильного предельного перехода в теории калибровочных полей при устремлении шага решётки к нулю, что было отмечено в 1960-е гг. Брайсом Девиттом и широко учитывается ныне при проведении решёточных расчётов в квантовой хромодинамике.
  3. Фролов В. П. Квантовая теория гравитации (по материалам II Международного семинара по квантовой теории гравитации, Москва, 13-15 октября 1981 г.) Архивная копия от 13 сентября 2013 на Wayback Machine, УФН, 1982, т. 138, с. 151.
  4. Вайнберг С. Гравитация и космология — М.: Мир, 1975. — С. 307.
  5. 1 2 Хлопов Ю. М. Гравитационное взаимодействие // Физический энциклопедический словарь. — под ред. А. М. Прохорова — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — ISBN 5-85270-306-0. — Тираж 10000 экз. — с. 137

  6. А если бы мы хотели продвинуться до «планковской энергии» ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантово-гравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 световых лет.

    Сисакян А. Н. Избранные лекции по физике частиц. — Дубна, ОИЯИ, 2004. — c. 95
  7. Иваненко Д. Д., Сарданишвили Г. А. . Гравитация. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 200 с. — 1280 экз. — ISBN 5-354-00538-8.
  9. Sorkin, Rafael D.[англ.]. Forks in the Road, on the Way to Quantum Gravity (неопр.) // International Journal of Theoretical Physics[англ.]. — 1997. — Т. 36, № 12. — С. 2759—2781. — doi:10.1007/BF02435709. — . — arXiv:gr-qc/9706002.
  10. Loll, Renate. Discrete Approaches to Quantum Gravity in Four Dimensions (англ.) // Living Reviews in Relativity : journal. — 1998. — Vol. 1. — P. 13. — . — arXiv:gr-qc/9805049. Архивировано 22 января 2020 года.
  12. Oriti, 2009.
  14. Klimets AP, Philosophy Documentation Center, Western University-Canada, 2017, pp.25-32. Дата обращения: 25 июня 2021. Архивировано 1 июля 2019 года.
  15. A.P. Klimets. (2023). Quantum Gravity. Current Research in Statistics & Mathematics, 2(1), 141-155. Дата обращения: 25 декабря 2023. Архивировано 23 декабря 2023 года.
  17. Пенроуз, 2007.
  18. Клара Московиц Запутанные пространством-временем Архивная копия от 7 июля 2017 на Wayback Machine // В мире науки. — 2017. — № 5-6. — С. 118—125.
  19. Тим Фолджер. Квантовая гравитация в лаборатории // В мире науки. — 2019. — № 5—6. — С. 100—109.


Литература

Ссылки
Downgrade Counter