|
Почему найти квантовую теорию гравитации так сложно
|
|
|
|
Использование математики в науке в целом и физике в частности часто описывается как язык, что рождает впечатление некоего секретного кода, который должен отпугнуть всяк сюда входящего, больше неприятность, чем необходимость. Здесь мы занимаемся не только наукой, но и ее популяризацией, а вы знаете, что для успешных продаж научных книг в них должно быть как можно меньше формул (старый анекдот, не так уж далек от истины). Но математика — это намного больше занудной базы формул и странных загогулин.
|
|
|
|
Математика — это первая линия дисциплины мысли. Очищенная от неопределенностей человеческого языка, математика является инструментом выведения последствий из предположений. Она незыблема для человеческой хрупкости и не знает жалости. Математика стоит на страже объективности.
|
 |
|
Как работает современная теоретическая физика? Она строит теории, основанные на наборе предположений или аксиом, которые могут указываться неявно, а иногда вообще берутся как данность. Несмотря на это, будучи сформулированными в математических терминах, эти допущения становятся намного большим набором выводов, которые затем толкают физику вперед. Чтобы теория стала жизнеспособной в рамках нашей Вселенной, все эти выводы должны быть как внутренне непротиворечивы, не приводить к противоречиям, так и согласоваться с наблюдениями.
|
|
|
|
Теории, которые сегодня описывают природу, представлены на самом фундаментальном уровне общей теорией относительности и Стандартной моделью физики элементарных частиц. Общая теория относительности — это классическая теория, тогда как Стандартная модель — это квантовая теория поля. Первая не следует принципу неопределенности Гейзенберга, вторая — следует. Обе теории вместе могут описать все наблюдения, которые у нас есть на текущий момент, хотя некоторые аспекты этого описания остаются неудовлетворительными, например, недостающая микроскопическая структура темной материи. Сочетание этих двух теорий согласуется с наблюдением, но большая беда в том, что оно внутренне противоречиво.
|
|
|
|
Наиболее ярко это несоответствие демонстрируется проблемой потери информации черной дыры. Объединение общей теории относительности с квантовой теорией поля приводит к тому, что известно как квантовая теория поля в искривленном пространстве. Она частично классическая, частично квантованная теория, «полуклассическая гравитация». В этой комбинированной теории можно вычислить, что черные дыры излучают радиацию — излучение Хокинга, названное в честь его первооткрывателя.
|
|
|
|
Излучение Хокинга — это спектр излучения абсолютно черного тела с одним-единственным параметром: температурой, которая зависит от изначальной массы черной дыры. Это означает, что все черные дыры с одной начальной массой испаряются до одного конечного состояния, вне зависимости от того, из чего сформировались. Процесс образования черной дыры и последующее испарение, таким образом, необратимы: даже если мы полностью знаем конечное состояние, мы не можем определить изначальное состояние. Информация потеряна. Проблема в том, что такой принципиально необратимый процесс несовместим с квантовой теорией поля, которую мы используем для получения процесса: это внутреннее противоречие, несоответствие, так быть не может, не должно. Математика приводит нас к такому выводу.
|
|
|
|
Полуклассическая комбинация общей теории относительности и Стандартной модели приводит к другим проблемам. Мы не знаем, например, что происходит с гравитационным полем электрона, проходящего через двойную щель. Мы знаем, что волновая функция электрона в суперпозиции и проходит через обе щели, создавая статистическое распределение на экране при измерении. Мы также знаем, что электрон переносит энергию. И мы знаем, что энергия создает гравитационное поле. Но поскольку гравитационное поле — классическое, оно не может быть в суперпозиции и пройти через обе щели, подобно электрону. Что происходит с гравитационным полем электрона? Никто этого не знает, поскольку оно слишком слабое для измерения. Так просто и так сложно.
|
|
|
|
Третья причина, которая убеждает физиков, что сочетание общей теории относительности и Стандартной модели является неполным описанием природы, приводит нас к образованию сингулярностей при достаточно общих условиях. Сингулярности — это скопления бесконечной плотности энергии и бесконечной кривизны. Они нефизичны и не должны появляться в здравой теории. Сингулярности также появляются в гидродинамике, например, когда сжимается капля воды. В таком случае, однако, мы знаем, что сингулярность — это артефакт использования приближения — гидродинамики, — которое не будет работать на субатомных расстояниях. На самых коротких расстояниях мы должны использовать более фундаментальные теории (теории квантованных, дискретных частиц), чтобы описать каплю воды, и, как ожидается, сингулярности исчезают.
|
|
|
|
Считается, что квантование гравитации решит эти три проблемы, раскрывая структуру пространства-времени на очень коротких расстояниях. К сожалению, гравитация не квантуется подобно другим взаимодействиям в Стандартной модели. Применяя те же методы к гравитации, мы приходим к теории «эффективной квантовой гравитации», которая не может решить эти проблемы: она разрушается при сильной кривизне. Эта наивно («пертурбативно») квантованная гравитация никак не решает проблемы с сингулярностями и испарением черных дыр, поскольку работает только при слабой гравитации. Короче, в ней нет смысла. То, что физики называют «квантовой гравитацией», должно быть теорией, которая будет хороша вне зависимости от того, насколько сильной становится гравитация.
|
|
|
|
В настоящее время есть несколько теоретических подходов к квантовой гравитации. Наиболее известными являются асимптотически безопасная теория гравитации, петлевая квантовая гравитация, теория струн и причинная динамическая триангуляция, равно как и идеи, которые серьезно подходят к гидродинамическим аналогиям и рассматривают гравитацию как вытекающее явление. Пока мы не можем сказать, какой из подходов станет верным описанием природы.
|
|
|
|
На волне измерений поляризации космического микроволнового фона BICEP, было заявлено, что такое измерение предоставит свидетельства квантования гравитации. Это не совсем нет. Во-первых, учтите, что это опять же затрагивает слабые гравитационные поля и не является фундаментальной теорией квантовой гравитации. Кроме того, кто-то просто не позаботился сформулировать нормальный аргумент. Да, квантово-гравитационные флуктуации юной Вселенной могли оставить отпечаток на микроволновом фоне, который потенциально наблюдаем. Но куда сложнее продемонстрировать, что квантовая гравитация — единственный способ произвести наблюдаемые флуктуации. Должно быть что-то другое, доказательство вроде теоремы Белла, что классическая теория не может такое произвести, но они отсутствуют.
|
|
|
|
Квантовая гравитация — не очень большое исследовательское поле, если сравнить с физикой конденсированной материи или исследованиями рака, например. Сообщество этих ученых не очень большое, но оно привлекает массу общественного интереса. И вполне заслуженно. Без квантовой гравитации мы не узнаем, как на самом деле ведут себя пространство и время, а также не сможем понять, с чего началась наша Вселенная. Нам нужна квантовая гравитация, которая подскажет нам, что удерживает космос вместе и почему все это вот так, вот так, вот так, вот так.
|
|
|
|
http://hi-news.ru/science/nedostayushhaya-chast-pochemu-najti-kvantovuyu-teoriyu-gravitacii-tak-slozhno.html
|
