Квантовая гравитация: что мы знаем о ней сегодня?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

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)
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).
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), «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 «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)
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

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

Первый гревел Shulz: изучаем прототип велосипеда The Lightning

Бренд Shulz наконец-то дал возможность всесторонне рассмотреть, что из себя будет представлять первый гревел компании. Выпущенный видеоролик-анонс состоит из двух частей. В первой ведущий канала...

С какой скоростью надо ездить по лужам

В дождливую погоду дороги становятся особенно коварными, а лужи на асфальте — не просто лужи, а настоящие испытания для водителя и его автомобиля. Каждая такая встреча скрывает риски: от...

Почему на современных стиральных машиных нельзя отключить отжим, и как это исправить вручную

Если на моделях стиральных машин 7-10 летней давности управление оборотами отжима (вплоть до 0) было базовой возможностью, то у современной техники подобная функция встречается всё реже. Но для...

Как можно узнать, сколько герц в экране Айфона и на что они влияют

В мире смартфонов происходит настоящая революция, связанная с частотой обновления экранов. Долгое время стандартом считались 60 Гц, но теперь производители, включая Apple, переходят на более...

Как одеваться в жаркую погоду, чтобы было комфортно

Лето — пора яркого солнца и прогулок на свежем воздухе. Но высокая температура может стать настоящим вызовом, если тщательно не продумать образ. Поговорим о том, как правильно одеваться...

Обзор MobaPad M6S: максимально удобная альтернатива Joy-Conn для Nintendo Switch

Над альтернативой для штатных Joy-Conn игровой консоли Nintendo Switch работали сразу несколько производителей, причем относительного успеха добился каждый из них, но по возможностям лучше, чем...