Квантавая гравітацыя

Квантавая гравітацыя — кірунак даследаванняў у тэарэтычнай фізіцы, мэтай якога з'яўляецца квантавае апісанне гравітацыйнага ўзаемадзеяння (і, у выпадку поспеху — аб'яднанне такім чынам гравітацыі з астатнімі трыма фундаментальнымі ўзаемадзеяннямі, гэта значыць, пабудова так званай «тэорыі ўсяго»).

Праблемы стварэння

Нягледзячы на актыўныя даследаванні, тэорыя квантавай гравітацыі пакуль не пабудавана. Асноўная цяжкасць у яе пабудове заключаецца ў тым, што дзве фізічныя тэорыі, якія яна спрабуе звязаць разам — квантавая механіка і агульная тэорыя адноснасці (АТА), — абапіраюцца на розныя наборы прынцыпаў. Так, квантавая механіка фармулюецца як тэорыя, якая апісвае часавую эвалюцыю фізічных сістэм (напрыклад, атамаў або элементарных часціц) на фоне вонкавай прасторы-часу. У АТА вонкавай прасторы-часу няма — яна сама з'яўляецца дынамічнай зменнай тэорыі, якая залежыць ад характарыстык класічных сістэм, якія знаходзяцца ў ёй.

Пры пераходзе да квантавай гравітацыі як мінімум трэба замяніць сістэмы на квантавыя (гэта значыць зрабіць квантаванне), пры гэтым правая частка ўраўненняў Эйнштэйна — тэнзар энергіі-імпульсу матэрыі — становіцца квантавым аператарам. Сувязь, якая ўзнікае, патрабуе нейкага квантавання геаметрыі самой прасторы-часу, прычым фізічны сэнс такога квантавання абсалютна няясны і пакуль што праквантаваць прастору-час не ўдалося.

Нават спроба правесці квантаванне лінеарызаванай класічнай тэорыі гравітацыі (АТА) натыкаецца на шматлікія тэхнічныя цяжкасці — квантавая гравітацыя аказваецца неперанарміруемай тэорыяй. Сітуацыя пагаршаецца тым, што прамыя эксперыменты ў галіне квантавай гравітацыі, з-за слабасці саміх гравітацыйных узаемадзеянняў, недаступныя сучасным тэхналогіям. У сувязі з гэтым у пошуку правільнай фармулёўкі квантавай гравітацыі прыходзіцца пакуль абапірацца толькі на тэарэтычныя выкладкі.

Перспектыўныя кандыдаты

Два асноўныя напрамкі, якія спрабуюць пабудаваць квантавую гравітацыю, — гэта тэорыя струн і петлявая квантавая гравітацыя.

У першай з іх замест часціц і фонавай прасторы-часу выступаюць струны і іх шматмерныя аналагі — браны. Для шматмерных задач браны з'яўляюцца шматмернымі часціцамі, але з пункту гледжання часціц, якія рухаюцца ўнутры гэтых бран, яны з'яўляюцца прасторава-часавымі структурамі.

У другім падыходзе робіцца спроба сфармуляваць квантавую тэорыю поля без прывязкі да прасторава-часавага фону, прастора і час па гэтай тэорыі складаюцца з дыскрэтных частак. Гэтыя маленькія квантавыя ячэйкі прасторы пэўным чынам злучаны адна з адной, так што на малых маштабах часу і даўжыні яны ствараюць стракатую, дыскрэтную структуру прасторы, а на вялікіх маштабах плаўна пераходзяць у непарыўную гладкую прастору-час. Хаця многія касмалагічныя мадэлі могуць апісаць паводзіны Сусвету толькі пачынаючы з планкаўскага часу пасля Вялікага выбуху, петлявая квантавая гравітацыя можа апісаць сам працэс выбуху, і нават зазірнуць далей. Петлявая квантавая гравітацыя, магчыма, дасць магчымасць апісаць усе часціцы Стандартнай мадэлі.

Асноўнай праблемай тут з'яўляецца выбар каардынат. Можна сфармуляваць і агульную тэорыю адноснасці ў бескаардынатнай форме (напрыклад, з дапамогай знешніх форм), аднак вылічэнне Рыманавага тэнзара ажыццяўляецца толькі ў канкрэтнай метрыцы. Любаш Мотль — адзін з самых актыўных і дасціпных прапагандыстаў тэорыі струн — з гэтай нагоды выказаўся так, што казаць, напрыклад, пра «фонавую незалежнасць» прапагатара спінавай сеткі петлявой тэорыі гравітацыі без указання адзінкавага стану — тое ж самае, што вылічаць рад Тэйлара ў кропцы х₀ без указання х₀.

Яшчэ адной перспектыўнай тэорыяй, якая здымае пярэчанне Л. Мотля, з'яўляецца прычынная дынамічная трыянгуляцыя. У ёй прасторава-часавая мнагастайнасць будуецца з элементарных эўклідавых сімплексаў (трохвугольнік, тэтраэдр, пентахор) з улікам прынцыпу прычыннасці. Чатырохмернасць і псеўдаэўклідавасць прасторы-часу ў макраскапічных маштабах у ёй не пастулюецца, а з'яўляецца вынікам тэорыі.

Гл. таксама

• Тэорыя ўсяго
• Тэорыя струн
• М-тэорыя
• Петлявая квантавая гравітацыя
• Нявырашаныя праблемы сучаснай фізікі

Спасылкі

• Квантовая гравитация // Лекция Д. И. Казакова в проекте ПостНаука (13.11.2012)
• Пол Шеллард и др. Квантовая гравитация Архівавана 25 сакавіка 2006. (Quantum Gravity). Пер. с англ. В. Г. Мисовца.
• Zeeya Merali. Разделение времени и пространства. Новая квантовая теория отвергает пространство-время Эйнштейна // Scientific American. (December 2009)
• Г. Е. Горелик Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию неразрешённой проблемы. // Успехи физических наук, Том 175, № 10 (октябрь 2005)