Interested Article - Квантовая гравитация

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 »).

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия . Элементарные частицы слева — фермионы , справа — бозоны . ( *Термины — гиперссылки на статьи ВП* )

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 . 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 . А именно, в системе единиц $\hbar =c=1$ $\hbar =c=1$ гравитационная постоянная является размерной константой с размерностью обратного квадрата массы, как и фермиевская константа взаимодействия слабых токов $G_{F}={\frac {10^{-5}}{m_{p}^{2}}}$ $G_{F}={\frac {10^{-5}}{m_{p}^{2}}}$ , где $m_{p}$ $m_{{p}}$ — масса протона .

Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий пока недоступны современным технологиям. 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 .

Другие подходы к проблеме квантования гравитации предпринимаются в теориях супергравитации и дискретного пространства-времени .

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 . Примеры включают:

и другие аналоговые модели гравитации
Причинная динамическая триангуляция
Причинные множества
(см. книгу «Approaches to Quantum Gravity. Toward a New Understanding of Space, Time and Matter» и приведённые там ссылки)
Некоммутативная геометрия
Интеграл Пути модель Квантовая космология
Исчисление Редже
Интегральный метод
(что приводит к бесщелевой спиральности ± 2 возбуждений без каких-либо других бесщелевых возбуждений )
или теория
Супергравитация
Твистор -модели (см. главу 33 книги Р. Пенроуза «Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель» и приведённые там ссылки)
Цифровая физика

Экспериментальная проверка

Проводятся ^{[

когда?

]} первые опыты по выявлению квантовых свойств гравитации путём исследования гравитационного поля очень малых массивных тел, которые удаётся перевести в состояние квантовой суперпозиции .

См. также

Примечания

Юкава Х. Лекции по физике. — М., Энергоиздат, 1981. — с. 78-81
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 .
Фролов В. П. от 13 сентября 2013 на Wayback Machine , УФН , 1982, т. 138, с. 151.
Вайнберг С. Гравитация и космология — М.: Мир , 1975. — С. 307.
↑ 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
А если бы мы хотели продвинуться до «планковской энергии» $10^{19}$ $10^{19}$ ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантово-гравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 световых лет.

Сисакян А. Н. Избранные лекции по физике частиц. — Дубна, ОИЯИ, 2004. — c. 95
Иваненко Д. Д. , Сарданишвили Г. А. . Гравитация. — М. : Едиториал УРСС, 2004. — 200 с. — 1280 экз. — ISBN 5-354-00538-8 .
(англ.) (. Canonical Gravity: From Classical to Quantum (неопр.) / Ehlers, Jürgen; Friedrich, Helmut. — Springer, 1994. — ISBN 3-540-58339-4 .
(англ.) (. Forks in the Road, on the Way to Quantum Gravity (неопр.) // (англ.) (. — 1997. — Т. 36 , № 12 . — С. 2759—2781 . — doi : . — Bibcode : . — arXiv : .
Loll, Renate. (англ.) // Living Reviews in Relativity : journal. — 1998. — Vol. 1 . — P. 13 . — Bibcode : . — arXiv : . 22 января 2020 года.
(англ.) (. Lectures on Quantum Gravity (неопр.) / Gomberoff, Andres; Marolf, Donald. — Springer, 2005. — ISBN 0-387-23995-2 .
.
Stephen Hawking . 300 Years of Gravitation (неопр.) / Hawking, Stephen W.; Israel, Werner. — Cambridge University Press , 1987. — С. 631—651. — ISBN 0-521-37976-8 . .
(неопр.) . Дата обращения: 25 июня 2021. 1 июля 2019 года.
Levin M., . . // Physical Review Letters , 2006, 96 (11). — P. 110405. — doi : .
.
Клара Московиц от 7 июля 2017 на Wayback Machine // В мире науки . — 2017. — № 5-6. — С. 118—125.
Тим Фолджер. Квантовая гравитация в лаборатории // В мире науки . — 2019. — № 5—6 . — С. 100—109 .

Литература

Горелик Г. Е. от 17 июня 2012 на Wayback Machine // Успехи физических наук , том 175, № 10 (октябрь 2005).
Пенроуз Р. . Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель = The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe / Пер. с англ. А. Р. Логунова, Э. М. Эпштейна. — М. —Ижевск: ИКИ , НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. — 912 с. — ISBN 978-5-93972-618-4 .
/ Ed. by D. Oriti. — Cambridge: Cambridge University Press , 2009. — xix + 583 p. — ISBN 978-0-521-86045-1 .

Ссылки

от 6 мая 2013 на Wayback Machine // Лекция Д. И. Казакова в проекте ПостНаука (13.11.2012)
Пол Шеллард и др. ( 10 февраля 2012 года. ). // Пер. с англ. В. Г. Мисовца. Ссылка проверена 08:45, 23 ноября 2007 (UTC).
Смолин, Ли . от 1 февраля 2014 на Wayback Machine
Merali, Zeeya. от 3 июля 2011 на Wayback Machine // Scientific American. (December 2009).