Четыре физика — о том, чем гравитация выделяется среди сил природы
Автор: Натали Вулховер
Публикуется с сокращениями
Физики многое знают о трёх из четырех сил природы — электромагнитной силе, сильных и слабых ядерных силах — до их происхождения в квантовых частицах. Но четвертая фундаментальная сила, гравитация, отличается от всех остальных.
Наша нынешняя основа понимания гравитации, разработанная Альбертом Эйнштейном столетие назад, говорит нам, что яблоки падают с деревьев на планетах, вращающихся вокруг звезд, потому что они движутся по кривым в пространственно-временном континууме. Эти кривые являются гравитацией. Согласно Эйнштейну, гравитация является особенностью пространства-времени.
Но вблизи центра черной дыры или в первые мгновения вселенной уравнения Эйнштейна не работают. Физикам нужна более точная картина понимания гравитации, чтобы точно описать эти крайности. Новая теория должна делать те же самые предсказания, что и уравнения Эйнштейна, но работать везде.
Физики считают, что в более точном варианте теории гравитация должна иметь квантовую форму, как и другие силы природы. Исследователи разрабатывали квантовую теорию гравитации с 1930-х годов. Идеи были разными — например, теория струн, которая гласит, что гравитация и все другие явления возникают из крошечных вибрирующих струн — но пока все они остаются предположениями. Работающая квантовая теория гравитации, пожалуй, самая заманчивая цель в физике сегодня.
Что делает гравитацию уникальной? Чем отличается четвертая сила, что мешает исследователям найти ее основное квантовое определение? Мы опросили четырех разных исследователей квантовой гравитации. И получили четыре разных ответа.
Гравитация Сингулярности
Клаудия де Рам, физик-теоретик в Имперском колледже Лондона, работала над теориями массивной гравитации, которые утверждают, что квантованные единицы гравитации — это массивные частицы:
Общая теория относительности Эйнштейна правильно описывает поведение гравитации в пределах 30 порядков от субмиллиметровых масштабов вплоть до космологических расстояний. Никакая другая сила природы не была описана с такой точностью и в таком разнообразии масштабов. При таком уровне безупречного согласия с экспериментами и наблюдениями общая теория относительности может, по-видимому, дать окончательное описание гравитации. Тем не менее, общая теория относительности замечательна тем, что предсказывает собственное несовершенство.
Общая теория относительности предсказала черные дыры и Большой взрыв в происхождении нашей вселенной. И все же «особенности» в этих местах, таинственные точки, где искривление пространства-времени кажется бесконечным, действуют как флаги, сигнализирующие о разрушении общей теории относительности. По мере приближения к сингулярности в центре черной дыры или сингулярности Большого взрыва предсказания, вытекающие из общей теории относительности, перестают быть верными. Нам требуется более фундаментальное, базовое описание пространства и времени. Если мы раскроем этот новый слой физики, мы сможем достичь нового понимания пространства и времени.
Если бы гравитация была какой-то другой силой природы, мы могли бы надеяться исследовать ее глубже, проводя инженерные эксперименты, способные достигать все больших энергий и меньших расстояний. Но гравитация не обычная сила. Попытайтесь подтолкнуть её к раскрытию своих секретов за определенной точкой, и сам экспериментальный аппарат «утонет» в черной дыре.
Гравитация ведет к черным дырам
Дэниел Харлоу, теоретик квантовой гравитации в Массачусетском технологическом институте, известен тем, что применяет квантовую теорию информации для изучения гравитации и черных дыр:
Черные дыры — причина, по которой трудно сочетать гравитацию с квантовой механикой. Черные дыры могут быть только следствием гравитации, потому что гравитация является единственной силой, которая воздействует на все виды материи. Если бы существовал какой-либо тип частиц, который не чувствовал бы гравитации, мы могли бы использовать эту частицу, чтобы послать сообщение изнутри черной дыры, и тогда она не была бы черной.
Тот факт, что вся материя ощущает гравитацию, накладывает ограничение на возможные виды экспериментов: какой бы аппарат вы ни строили, независимо от того, из чего он сделан, он не может быть слишком тяжелым, или он обязательно гравитационно обрушится в черную дыру. Это ограничение не актуально в повседневных ситуациях, но оно становится необходимым, если вы попытаетесь построить эксперимент для измерения квантово-механических свойств гравитации.
Наше понимание других сил природы построено на принципе локальности, который говорит о том, что переменные, которые описывают то, что происходит в каждой точке пространства — например, напряженность электрического поля — могут меняться независимо. Более того, эти переменные, которые мы называем «степенями свободы», могут напрямую влиять только на непосредственных соседей. Окружающее пространство важно для того, как мы в настоящее время описываем частицы и их взаимодействия, потому что оно сохраняет причинно-следственные связи: если степени свободы здесь, в Кембридже, штат Массачусетс, зависели от степеней свободы в Сан-Франциско, мы могли бы использовать эту зависимость для пересылки мгновенного сообщения между двумя городами или даже отправки информации назад во времени, что приводит к возможным нарушениям причины-следствия.
Гипотеза локальности была очень хорошо проверена в обычных условиях, и может показаться естественным предположить, что она распространяется на очень короткие расстояния, которые имеют отношение к квантовой гравитации (эти расстояния малы, потому что гравитация намного слабее, чем другие силы). Чтобы подтвердить, что локальность сохраняется на этих масштабах расстояний, нам необходимо создать устройство, способное проверять независимость степеней свободы, разделенных такими небольшими расстояниями. Простой расчет показывает, однако, что устройство, достаточно тяжелое, чтобы избежать больших квантовых флуктуаций в его положении, которое разрушит эксперимент, также обязательно будет достаточно тяжелым, чтобы обрушиться в черную дыру! Поэтому эксперименты, подтверждающие локальность в этом масштабе, невозможны. И поэтому квантовая гравитация не нуждается в соблюдении локальности на таких масштабах.
Действительно, наше понимание черных дыр до сих пор предполагает, что любая теория квантовой гравитации должна иметь значительно меньше степеней свободы, чем мы могли бы ожидать, основываясь на опыте с другими силами. Эта идея кодифицирована в «голографическом принципе», который говорит, грубо говоря, что число степеней свободы в пространственной области пропорционально ее площади поверхности, а не ее объему.
Гравитация создает что-то из ничего
Хуан Мальдасена, теоретик квантовой гравитации в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, наиболее известен тем, что обнаружил подобную голограмме связь между гравитацией и квантовой механикой:
Частицы могут отображать много интересных и удивительных явлений. Мы можем иметь самопроизвольное создание частиц, запутывание между состояниями, которые находятся далеко друг от друга, и частиц в суперпозиции существования во многих местах.
В квантовой гравитации само пространство-время ведет себя по-новому. Вместо создания частиц у нас есть создание вселенных. Считается, что запутанность создает связи между отдаленными областями пространства-времени. У нас есть суперпозиции вселенных с различными геометриями пространства-времени.
Кроме того, с точки зрения физики элементарных частиц вакуум пространства является сложным объектом. Мы можем изобразить многие объекты, называемые полями, наложенными друг на друга и простирающимися по всему пространству. Значение каждого поля постоянно колеблется на коротких расстояниях. Из этих флуктуирующих полей и их взаимодействий возникает вакуумное состояние. Частицы являются возмущениями в этом вакуумном состоянии. Мы можем представить их как небольшие дефекты в структуре вакуума.
Когда мы рассматриваем гравитацию, мы обнаруживаем, что расширение вселенной, кажется, производит больше этого вакуумного материала из ничего. Когда создается пространство-время, оно просто оказывается в состоянии, которое соответствует вакууму без каких-либо дефектов. Как вакуум выглядит точно в правильном расположении — это один из основных вопросов, на которые мы должны ответить, чтобы получить согласованное квантовое описание черных дыр и космологии. В обоих этих случаях происходит своего рода растяжение пространства-времени, которое приводит к созданию большего количества вакуумного вещества.
Гравитация не может быть рассчитана
Сера Кремонини, физик-теоретик из Университета Лихай, работает над теорией струн, квантовой гравитацией и космологией:
Есть много причин, почему гравитация особенная. Позвольте мне сосредоточиться на одном аспекте — идее о том, что квантовая версия общей теории относительности Эйнштейна «не перенормируема». Это имеет значение для поведения гравитации при высоких энергиях.
В квантовых теориях бесконечные термины появляются, когда вы пытаетесь вычислить, как очень энергичные частицы рассеивают друг друга и взаимодействуют. В перенормируемых теориях — которые включают в себя теории, описывающие все силы природы, кроме гравитации — мы можем строго удалить эти бесконечности, добавив соответствующие величины, которые эффективно их отменяют, так называемые контртермы. Этот процесс перенормировки приводит к физически разумным ответам, которые согласуются с экспериментами с очень высокой степенью точности.
Проблема с квантовой версией общей теории относительности состоит в том, что вычисления, которые описывают взаимодействия очень энергичных гравитонов — квантованных единиц гравитации — будут иметь бесконечно много бесконечных членов. Вам нужно будет добавить бесконечно много контрчетов в бесконечный процесс. Перенормирование бы здесь не работало. Из-за этого квантовая версия общей теории относительности Эйнштейна не является хорошим описанием гравитации при очень высоких энергиях. Должно быть, отсутствуют некоторые основные характеристики и компоненты гравитации.
Тем не менее, мы все еще можем иметь очень хорошее приблизительное описание гравитации при более низких энергиях, используя стандартные квантовые методы, которые работают для других взаимодействий в природе. Важным моментом является то, что это приблизительное описание гравитации будет нарушено в некотором энергетическом масштабе или, что то же самое, ниже некоторой длины.
Выше этой шкалы энергий или ниже соответствующей шкалы длин мы ожидаем найти новые степени свободы и новые симметрии. Чтобы точно уловить эти особенности, нам нужны новые теоретические основы. Именно в этом заключается теория струн или какое-то подходящее обобщение. Согласно теории струн, на очень коротких расстояниях мы увидим, что гравитоны и другие частицы являются протяженными объектами, называемыми струнами. Изучение этой возможности может дать нам ценные данные о квантовом поведении гравитации.
Оригинал: Quantamagazine
