Квантовая гравитация

Шаблон:ОТО Ква́нтовая гравита́ция — 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»).

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 временну́ю 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<ref>Юкава Х. Лекции по физике. — М., Энергоиздат, 1981. — с. 78-81</ref><ref>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.</ref>. 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<ref name = "frolov">Фролов В. П. Квантовая теория гравитации (по материалам II Международного семинара по квантовой теории гравитации, Москва, 13-15 октября 1981 г.) Шаблон:Wayback, УФН, 1982, т. 138, с. 151.</ref><ref>Вайнберг С. Гравитация и космология — М.: Мир, 1975. — С. 307.</ref>. А именно, в системе единиц <math>\hbar = c = 1</math> гравитационная постоянная является размерной константой с размерностью обратного квадрата массы, как и фермиевская константа взаимодействия слабых токов <math>G_{F}=\frac{10^{-5}}{m_{p}^2}</math>, где <math>m_{p}</math> — масса протона<ref name="Chlop">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</ref>.

Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий пока недоступны современным технологиям.<ref>{{#ifexpr: 0 mod 2 = 0 and 0 != 4 and 0 != 104 |

}}{{#if: |

:

}}

{{#ifexpr: 0 mod 2 = 0 and 0 != 4 and 0 != 104 |

}}А если бы мы хотели продвинуться до «планковской энергии» <math>10^{19}</math> ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантово-гравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 световых лет.{{#if:

|

—

}}

Сисакян А. Н. Избранные лекции по физике частиц. — Дубна, ОИЯИ, 2004. — c. 95</ref> 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<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Другие подходы к проблеме квантования гравитации предпринимаются в теориях супергравитации и дискретного пространства-времени<ref name="Chlop" />.

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<ref>Шаблон:Книга </ref><ref>Шаблон:Статья </ref>. Примеры включают:

• Акустическая метрика и другие аналоговые модели гравитации
• Асимптотическая безопасность
• Причинная динамическая триангуляция<ref>Шаблон:Статья</ref>
• Причинные множества<ref>Шаблон:Книга

</ref>

• Теория полей групп (см. книгу «Approaches to Quantum Gravity. Toward a New Understanding of Space, Time and Matter»Шаблон:Sfn и приведённые там ссылки)
• MacDowell–Mansouri действие
• Некоммутативная геометрия
• Интеграл Пути модель Квантовая космология<ref>Шаблон:Книга.</ref>
• Исчисление Редже
• Интегральный метод<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>
• Сеть Струнной жидкости (что приводит к бесщелевой спиральности ± 2 возбуждений без каких-либо других бесщелевых возбуждений<ref>Шаблон:Книга — P. 110405. — Шаблон:DOI.</ref>)
• Сверхжидкий вакуум или теория BEC вакуума
• Супергравитация
• Твистор-модели (см. главу 33 книги Р. Пенроуза «Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель»Шаблон:Sfn и приведённые там ссылки)
• Цифровая физика<ref name="BMN052017">Клара Московиц Запутанные пространством-временем Шаблон:Wayback // В мире науки. — 2017. — № 5-6. — С. 118—125.</ref>
• Гравитация Джакива — Тейтельбойма

Экспериментальная проверка

ПроводятсяШаблон:Когда первые опыты по выявлению квантовых свойств гравитации путём исследования гравитационного поля очень малых массивных тел, которые удаётся перевести в состояние квантовой суперпозиции<ref name="МЬТ201956">Шаблон:Статья</ref>.

См. также

• Теория всего
• Теория струн
• М-теория
• Петлевая квантовая гравитация
• Квантовая теория поля в искривлённом пространстве-времени
• Нерешённые проблемы современной физики

Литература

• Горелик Г. Е. Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию неразрешённой проблемы. Шаблон:Wayback // Успехи физических наук, том 175, № 10 (октябрь 2005).
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Тризна Е. А. Формула расчёта силы взаимодействия между элементарными частицами и гравитацией: сборник трудов конференции. // Актуальные направления научных исследований: перспективы развития : материалы Всерос. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 14 март 2024 г.) / редкол.: В. И. Кожанов [и др.] – Чебоксары: Центр научного сотрудничества «Интерактив плюс», 2024. – С. 13-14. – ISBN 978-5-6051279-9-4.

Ссылки

• Квантовая гравитация Шаблон:Wayback // Лекция Д. И. Казакова в проекте ПостНаука (13.11.2012)
• Пол Шеллард и др. Квантовая гравитация (Quantum Gravity Шаблон:Архивировано). // Пер. с англ. В. Г. Мисовца. Ссылка проверена 08:45, 23 ноября 2007 (UTC).
• Смолин, Ли. Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует Шаблон:Wayback
• Merali, Zeeya. Разделение времени и пространства. Новая квантовая теория отвергает пространство-время Эйнштейна Шаблон:Wayback // Scientific American. (December 2009).