Теория петлевой квантовой гравитации идет на помощь современным представлениям о физическом мире

Квантовая теория всемирного тяготения[править]

Основная статья: Естественно-единая квантовая теория взаимодействий

Прежде чем представить Вашему вниманию квантовую теорию всемирного тяготения, следует вспомнить принцип соответствия — утверждение, что любая новая научная теория должна включать старую теорию и её результаты как частный случай.
Например, в специальной теории относительности в пределе малых скоростей \(v ≪ c\) получаются те же следствия, что и в классической механике. Так, преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, время течёт одинаково во всех системах отсчёта, кинетическая энергия становится равной \(\frac{mv^{2}}{2}\) и т.д.
Общая теория относительности даёт те же результаты, что и классическая теория тяготения Ньютона при малых скоростях v ≪ c и при малых значениях гравитационного потенциала \(\frac {\Phi }{c^{2}}\ll 1\). В квантовой механике принципом соответствия называется утверждение о том, что поведение квантовомеханической системы стремится к классической физике в пределе больших квантовых чисел, т.е. при больших значениях действия \(S\gg \hbar\).

Отсюда следует, что принцип соответствия для квантовой теорие всемирного тяготения не может быть столь простым. Речь идёт о том, что преобразования \(c\rightarrow\infty\) (эквивалентно пределу малых скоростей v ≪ c) и \(\hbar\rightarrow0\) (эквивалентно пределу больших значениях действия \(S\gg \hbar\)) должны выполняться одновременно, а не произвольно.

Гравитационное притяжение

Закон всемирного тяготения

В рамках классической механики гравитационное притяжение описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1{\displaystyle m_{1}} и m2{\displaystyle m_{2}}, разделёнными расстоянием r{\displaystyle r}, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния:

F=Gm1m2r2.{\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}.}

Здесь G{\displaystyle G} — гравитационная постоянная, равная примерно 6,67⋅10−11 м³/(кг·с²).
Этот закон выполняется в приближении при малых по сравнению со скоростью света v≪c{\displaystyle v\ll c} скоростей и слабого гравитационного взаимодействия (если для изучаемого объекта, расположенного на расстоянии R{\displaystyle R} от тела массой M{\displaystyle M}, величина GMc2R≪1{\displaystyle {\frac {GM}{c^{2}R}}\ll 1}). В общем случае гравитация описывается общей теорией относительности Эйнштейна.

Закон всемирного тяготения — одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося также и при изучении излучений (см., например, Давление света), и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Гравитационное поле, так же как и поле силы тяжести, потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле часто существенно упрощает решение.
В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что, как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты — планеты, звёзды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами в космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, чёрные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель (IV век до н. э.) считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. И только много позже (1589 год) Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так — если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687 год) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

Эксперимент

Упрощенная схема эксперимента. Вместо полного интерферометра у нас есть один оптический резонатор длинной 2.5м. Вместо двух разных гомодинных детекторов мы используем один детектор, но два опорных луча разных частот. Два эксперимента по наблюдению частотно-зависимого сжатия. В первом (а) мы отстроили сигнальный луч от резонанса детектора, испортив тем самым чувствительность в фазовой квадратуре (и создав частотную зависимость у сжатого света). Во втором мы создали дополнительную частотную зависимость у второго луча (idler) и за счет квантовой запутанности между двумя лучами signal и ilder смогли восстановить испорченную чувствительность, отменив частотную зависимость, внесенную в первом эксперименте.

Гравитационное излучение

Экспериментально измеренное уменьшение периода обращения двойного пульсара PSR B1913+16 (синие точки) с высокой точностью соответствует предсказаниям ОТО по гравитационному излучению (чёрная кривая)

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого было подтверждено прямыми наблюдениями в 2015 году. Однако и раньше были весомые косвенные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в тесных двойных системах, содержащих компактные гравитирующие объекты (такие как нейтронные звезды или чёрные дыры), в частности, обнаруженные в 1979 году в знаменитой системе PSR B1913+16 (пульсаре Халса — Тейлора) — хорошо согласуются с моделью ОТО, в которой эта энергия уносится именно гравитационным излучением.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами, этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного n{\displaystyle n} -польного источника пропорциональна (vc)2n+2{\displaystyle (v/c)^{2n+2}}, если мультиполь имеет электрический тип, и (vc)2n+4{\displaystyle (v/c)^{2n+4}} — если мультиполь магнитного типа, где v{\displaystyle v} — характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c{\displaystyle c} — скорость света в вакууме. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

L=15Gc5⟨d3Qijdt3d3Qijdt3⟩,{\displaystyle L={\frac {1}{5}}{\frac {G}{c^{5}}}\left\langle {\frac {d^{3}Q_{ij}}{dt^{3}}}{\frac {d^{3}Q^{ij}}{dt^{3}}}\right\rangle ,}

где Qij{\displaystyle Q_{ij}} — тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа Gc5=2,76⋅10−53{\displaystyle {\frac {G}{c^{5}}}=2{,}76\cdot 10^{-53}} (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ.)), создаются детекторы гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA (англ.), GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном центре гравитационно-волновых исследований «Дулкын» республики Татарстан.

Примечания

1. Юкава Х. Лекции по физике. — М., Энергоиздат, 1981. — с. 78-81
2. 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.
3. Вайнберг С. Гравитация и космология — М.: Мир, 1975. — С. 307.
4. ↑ 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
5. Иваненко Д. Д., Сарданишвили Г. А. . Гравитация. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 200 с. — 1280 экз. — ISBN 5-354-00538-8.
6. Isham, Christopher J. (англ.)русск.. Canonical Gravity: From Classical to Quantum (неопр.) / Ehlers, Jürgen; Friedrich, Helmut. — Springer, 1994. — ISBN 3-540-58339-4.
7. Sorkin, Rafael D. (англ.)русск.. Lectures on Quantum Gravity (неопр.) / Gomberoff, Andres; Marolf, Donald. — Springer, 2005. — ISBN 0-387-23995-2.
8. .
9. Stephen Hawking. 300 Years of Gravitation (неопр.) / Hawking, Stephen W.; Israel, Werner. — Cambridge University Press, 1987. — С. 631—651. — ISBN 0-521-37976-8..
10. .
11. Тим Фолджер. Квантовая гравитация в лаборатории // В мире науки. — 2019. — № 5—6. — С. 100—109.

Петлевая квантовая гравитация

ПКГ представляте собой интересный взгляд на проблему: вместо того чтобы пытаться квантовать частицы, ПКГ утверждает, что само пространство является дискретным. Как обычно представляют гравитацию: натянутая простыня с шаром для боулинга в центре. Мы также знаем, что обычно простынь квантуется, то есть состоит из молекул, которые состоят из атомов, которые состоят из ядер (кварков и глюонов) и электронов.

Пространство может быть таким же! Поскольку оно выступает в качестве ткани, то состоит из конечных квантованных элементов. И, возможно, соткано из «петель», откуда и берется ее название. Соедините эти петли вместе, и вы получите сеть, представляющую квантовое состояние гравитационного поля. Согласно этой картине, квантуется не только материя, но и само пространство. Эта научная область до сих пор активно разрабатывается.

Сжатый свет

есть замечательная статьяqbertychквадратурах

$$display$$E = E_0 \cos (\omega_0 t + \phi) = E_0 \cos \omega_0 t \cos \phi — E_0 \sin \omega_0 t \sin \phi =\\ = E_{ф} \sin \omega_0 t + E_{а} \cos \omega_0 t$$display$$

$$display$$E_{ф} = E_0 \sin \phi \approx E_0 \phi; \quad E_{a} = E_0 \cos \phi \approx E_0$$display$$

$inline$E_{ф}$inline$

$$display$$\Delta^2 E_{ф} \Delta^2 E_{а} \leq \frac{1}{2}$$display$$

сжать

$$display$$\Delta^2 E_{ф}^{sqz} = e^{-2r}\Delta^2 E_{ф}, \Delta^2 E_{a}^{sqz} = e^{2r}\Delta^2 E_{a}\\ \Delta^2 E_{ф}^{sqz} \Delta^2 E_{a}^{sqz} = \Delta^2 E_{ф} \Delta^2 E_{a} \leq \frac{1}{2},$$display$$

Слева: пример улучшения чувствительности LIGO с помощью сжатого света. Справа: лучшее сжатие на сегодняшний день было создано в нашей группе несколько лет назад: вакуумные флуктуации были подавлены на 15 дБ.

Перспективные кандидаты

Петлевая квантовая гравитация

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. Любош Мотль — один из самых активных и остроумных пропагандистов теории струн — по этому поводу выразился так, что говорить, например, о «фоновой независимости» пропагатора спиновой сети петлевой теории гравитации без указания единичного состояния — то же самое, что вычислять ряд Тейлора в точке х без указания х.

Ещё одной перспективной теорией, снимающей возражение Л. Мотля, 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:

• Акустическая метрика и другие аналоговые модели гравитации
• Асимптоматическая безопасность
• Причинная динамическая триангуляция
• Causal sets
• Теория полей групп (см. книгу «Approaches to Quantum Gravity. Toward a New Understanding of Space, Time and Matter» и приведённые там ссылки)
• MacDowell–Mansouri действие
• Некоммутативная геометрия
• Интеграл Пути модель Квантовая космология
• Исчисление Редже
• Сеть Струнной жидкости (что приводит к бесщелевой спиральности ± 2 возбуждений без каких-либо других бесщелевых возбуждений)
• Сверхжидкий вакуум или теория BEC вакуума
• Супергравитация
• Твистор-модели (см. главу 33 книги Р. Пенроуза «Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель» и приведённые там ссылки)
• Цифровая физика

Асимптотически безопасная гравитация

Асимптотическая свобода была разработана в 1970-х годах, чтобы объяснить необычный характер сильного взаимодействия: это была очень слабая сила на чрезвычайно коротких расстояниях, которая становилась сильнее по мере того, как заряженные частицы расходились дальше и дальше. В отличие от электромагнетизма, который имел небольшую константу взаимодействия, у сильного взаимодействия она была большая. Из-за некоторых интересных свойств квантовой хромодинамики, если вы связываетесь с нейтральной (цветной) системой, сила взаимодействия быстро падает. Это можно было объяснить физическими размерами барионов (протонов и нейтронов, например) и мезонов (пионов, к примеру).

Асимптотическая свобода, с другой стороны, решила фундаментальную проблему, связанную с этим: вам нужны не малые взаимодействия, связи (или связи, которые стремятся к нулю), а, скорее, связи, которые просто будут конечными при высокоэнергетическом пределе. Все константы связи меняются с энергией, и асимптотическая свобода ставит высокоэнергетическую неподвижную точку для константы (технически, для группы ренормировки, из которой извлекается константа связи), а все остальное можно рассчитывать для низких энергий.

Во всяком случае такова идея. Мы выяснили, как делать это для измерений 1 + 1 (одно пространственное и одно временное), но не для 3 + 1. Однако прогресс движется, во многом благодаря Кристофу Веттериху, который издал две грандиозных работы в 90-х годах. Не так давно Веттерих использовал асимптотическую свободу — всего шесть лет назад, — чтобы рассчитать предсказание массы бозона Хиггса еще перед тем, как БАК нашел его. Результат же?

Удивительно, но его предсказания идеально совпали с находками БАК. Это настолько прекрасное предсказание, что, если асимптотическая безопасность верна и массы топ-кварка, W-бозона и бозона Хиггса установлены окончательно, для стабильной работы вплоть до планковских величин физике не понадобятся другие фундаментальные частицы.

Хотя асимптотически безопасной гравитации не уделяют много внимания, она остается весьма привлекательной и многообещающей теорией, как и теория струн: успешно квантует гравитацию, сводит ОТО до предела низких энергией и остается УФ-конечной. Кроме того, она обходит теорию струн по одному параметру: в ней нет целой горы нового материала, который мы пока не можем доказать.

Гравитация в микромире

Гравитация в микромире при низких энергиях элементарных частиц на много порядков слабее остальных фундаментальных взаимодействий. Так, отношение силы гравитационного взаимодействия двух покоящихся протонов к силе электростатического взаимодействия равно 10−36{\displaystyle 10^{-36}}.

Для сравнения закона всемирного тяготения с законом Кулона величину GNm{\displaystyle {\sqrt {G_{N}}}m} называют гравитационным зарядом. В силу принципа эквивалентности массы и энергии гравитационный заряд равен GNEc2{\displaystyle {\sqrt {G_{N}}}{\frac {E}{c^{2}}}}. Гравитационное взаимодействие становится равным по силе электромагнитному, когда гравитационный заряд равен электрическому GNEc2=e{\displaystyle {\sqrt {G_{N}}}{\frac {E}{c^{2}}}=e}, то есть при энергиях E=ec2GN=1018{\displaystyle E={\frac {ec^{2}}{\sqrt {G_{N}}}}=10^{18}} ГэВ, пока недостижимых на ускорителях элементарных частиц.

Предполагается, что гравитационное взаимодействие было таким же сильным, как и остальные взаимодействия в первые 10−43{\displaystyle 10^{-43}} секунд после Большого взрыва.

Небесная механика и некоторые её задачи

Раздел механики, изучающий движение тел в пустом пространстве только под действием гравитации, называется небесной механикой.

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух точечных или сферических тел в пустом пространстве. Эта задача в рамках классической механики решается аналитически в замкнутой форме; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера.

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе эта неустойчивость не позволяет предсказать точно движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: Солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы, аттракторы, хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений — сложная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки точно описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса.

Чувствительность LIGO и квантовые шумы

прошлой публикации про Einstein TelescopeОсновные вклады в чувствительность LIGO на разных частотах, нормированные на амплитуду ГВ (strain).Дробовой шумШум радиационного давленияПояснение про квантовые шумы. Случайное распределение числа фотонов производят случайную силу радиационного давления (слева). С другой стороны, случайное распределение фотонов во времени приводит к флуктуациям амплитуды на фотодетекторе (справа). Оба шума зависят от длины волны, мощности света и длины плеча. Шум радиационного давления тем меньше, чем больше масса зеркал. Credit: . Зависимость чувствительности от мощности света: дробовой шум (синий) уменьшается, а шум радиационного давления (зеленый) — пропорционально возрастает.

Теория струн

Теория струн — интереснейшее поле, которое включает все стандартные модели полей и частиц, фермионы и бозоны. Она включает 10-мерную тензор-скалярную теорию гравитации: с 9 пространственными и 1 временным измерением и параметром скалярного поля. Если мы уберем шесть из этих пространственных измерений (через не до конца понятный процесс, который люди называют компактификацией) и позволим параметру (ω), который определяет скалярное взаимодействие, уйти в бесконечность, мы сможем восстановить ОТО.

Однако у теории струн есть целый ряд феноменологических проблем. Одна из них заключается в том, что из теории вытекает огромное число новых частиц, в том числе и все суперсимметричные, которых мы до сих пор не обнаружили. Она утверждает, что нет необходимости в «свободных параметрах», которыми обладает Стандартная модель (для масс частиц), но заменяет эту проблему еще худшей. Когда мы говорим о 10^500 возможных решениях, эти решения касаются ожидаемых значений струнных полей, и нет никакого механизма восстановить их; чтобы струнная теория работала, вам придется отказаться от динамики и просто сказать, что «она должна была быть выбрана антропно».

Впрочем, струнная теория — не единственный игрок на этом поле.

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 ℏ=c=1{\displaystyle \hbar =c=1} гравитационная постоянная является размерной константой с размерностью обратного квадрата массы, как и фермиевская константа взаимодействия слабых токов GF=10−5mp2{\displaystyle G_{F}={\frac {10^{-5}}{m_{p}^{2}}}}, где mp{\displaystyle m_{p}} — масса протона.

Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий, к сожалению, 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.

Примечания

1. Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Энергоиздат, 1981. — С. 135.
2. Нарликар Дж. Неистовая вселенная. — М.: Мир, 1985. — С. 25. — Тираж 100 000 экз.
3. Нарликар Дж. Гравитация без формул. — М.: Мир, 1985. — С. 144. — Тираж 50 000 экз.
4. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Механика. — М., Наука, 1979. — Тираж 50 000 экз. — с. 311.
5. В. Паули Нарушение зеркальной симметрии в законах атомной физики // Теоретическая физика 20 века. Памяти Вольфганга Паули. — М., ИЛ, 1962. — c. 383
6. G. Rosi, F. Sorrentino, L. Cacciapuoti, M. Prevedelli, G. M. Tino. . Nature (18 June 2014).
7. Нарликар Дж. Неистовая вселенная. — М.: Мир, 1985. — С. 70. — Тираж 100 000 экз.
8. Нарликар Дж. Гравитация без формул. — М.: Мир, 1985. — С. 87. — Тираж 50 000 экз.
9. См. аналогию между слабым гравитационным полем и электромагнитным полем в статье гравитомагнетизм.
10. Канонической эта теория является в том смысле, что она наиболее хорошо разработана и широко используется в современной небесной механике, астрофизике и космологии, причём количество надёжно установленных противоречащих ей экспериментальных результатов практически равно нулю.
11. Иваненко Д. Д., Пронин П. И., Сарданашвили Г. А. Калибровочная теория гравитации. — М.: Изд. МГУ, 1985.
12. Brans, C. H.; Dicke, R. H. (November 1 1961). «Mach’s Principle and a Relativistic Theory of Gravitation». Physical Review 124 (3): 925—935. DOI:10.1103/PhysRev.124.925. Retrieved on 2006-09-23.
13. С ортодоксальной точки зрения это уравнение представляет собой координатное условие.
14. Яворский Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — М.: Оникс, 2007. — С. 948. — ISBN 978-5-488-01248-6 — Тираж 5100 экз.
15. Нарликар Дж. Гравитация без формул. — М.: Мир, 1985. — С. 145. — Тираж 50 000 экз.
16. Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Энергоиздат, 1981. — С. 136.

Это гравитация.

С другой стороны, у нас есть другие законы природы: квантовые. Есть электромагнетизм, за который отвечают электрически заряженные частицы, их движение и который описывается переносчиком силы фотоном, который выступает посредником при этих взаимодействиях и дарит нам явления, которые мы связываем с электростатикой и магнетизмом. Есть также две ядерных силы: слабая ядерная сила, ответственная за явления вроде радиоактивного распада, и сильная ядерная сила, которая удерживает атомные ядра вместе и позволяет существовать протонам и нейтронам.

Расчеты для этих сил обычно происходят в плоском пространстве-времени, с которого каждый студент начинает изучение квантовой теории поля. Но этого недостаточно, когда мы присутствуем в искривленном пространстве, как того диктует общая теория относительности.

«Итак, — скажете вы, — мы просто будем проводить вычисления нашей теории поля на фоне искривленного пространства!». Это известно как полуклассическая гравитация, и этот тип вычислений позволяет нам рассчитывать вещи вроде излучения Хокинга. Но даже это имеется только на горизонте самой черной дыры, а не там, где гравитация будет во всей своей красе. Есть много физических случаев, в которых нам пригодилась бы квантовая теория гравитации, и все они связаны с гравитационной физикой на мельчайших масштабах, на крошечных дистанциях.

Что, к примеру, происходит в центральных районах черных дыр? Вы можете подумать, мол, «о, там же сингулярность», но сингулярность — это не столько точка с бесконечной плотностью, сколько случай, где математический инструмент общей теории относительности выдает бессмысленные ответы на вопросы о потенциалах и силах. Что происходит, когда электрон проходит через двойную щель? Проходит ли гравитационное поле через обе щели? Или через одну? Общая теория относительности ничего не говорит на этот счет.

Считается, что должна быть квантовая теория гравитации, которая объяснит эти и другие проблемы, присущие в «гладкой» теории гравитации вроде ОТО. Для того чтобы объяснить, что происходит на малых дистанциях в присутствии гравитационных источников — или масс, — нам нужна квантовая, дискретная, а значит, и построенная на частицах теория гравитации.

Благодаря свойствам самой ОТО, что-то мы уже знаем.

Известные квантовые силы определяются действием частиц, известных как бозоны, или частицы с целым спином. Фотоны определяют электромагнитную силу, W- и Z-бозоны выступают посредниками для слабой ядерной силы, а глюоны — для сильного ядерной силы. У всех этих частиц спин равен 1, причем для массивных частиц спин может принимать значение -1, 0 или +1, тогда как у безмассовых частиц (вроде глюонов и фотонов) он может принимать значение только -1 или +1.

Бозон Хиггса тоже является бозоном, только не выступает посредником для сил и обладает спином 0. Насколько мы знаем гравитацию — ОТО является тензорной теорией гравитации — ее посредником должна выступать безмассовая частица со спином 2, а значит ее спин может принимать значение -2 или +2 только.

Получается, мы что-то знаем о квантовой теории гравитации еще до попытки сформулировать ее. Мы знаем это, поскольку какой бы ни была квантовая теория гравитации, она должна быть в соответствии с ОТО, когда мы имеем дело с не самыми малыми дистанциями до массивных частиц или объектов, равно как и ОТО должна сводиться к ньютоновской гравитации в режиме слабого поля.

Большой вопрос, конечно, как это сделать. Как квантовать гравитацию, чтобы она была корректна (в описании реальности), соотносилась с ОТО и КТП и приводила к вычисляемым предсказаниям новых явлений, которые могут быть наблюдаемы, измеряемы или проверямы.

Ведущий претендент, как вы знаете, это теория струн.

Теория струн

Говоря о теории квантовой петлевой гравитации и теории струн, важно понимать, что это два абсолютно разных способа осознания устройства материи и энергии во Вселенной. Теория струн – это «путь эволюции» физической науки, который старается изучить динамику взаимных действий не между точечными частицами, а квантовыми струнами

Материал теории сочетает в себе идею механики квантового мира и теорию относительности. Это, вероятно, поможет человеку построить будущую теорию квантовой гравитации. Именно ввиду формы объекта изучения эта теория старается другим способом описать основы Вселенной

Теория струн – это «путь эволюции» физической науки, который старается изучить динамику взаимных действий не между точечными частицами, а квантовыми струнами. Материал теории сочетает в себе идею механики квантового мира и теорию относительности. Это, вероятно, поможет человеку построить будущую теорию квантовой гравитации. Именно ввиду формы объекта изучения эта теория старается другим способом описать основы Вселенной.

В отличие от теории квантовой петлевой гравитации, теория струн и ее основы базируются на гипотетических данных, предполагающих, что любая элементарная частица и все ее взаимодействия фундаментального характера являются следствием колебаний квантовых струн. Эти «элементы» Вселенной обладают ультрамикроскопическими размерами и в масштабах порядка длинны Планка равны 10-35 м.

Данные этой теории являются математически осмысленными довольно точно, однако найти фактические подтверждения в области экспериментов она еще не смогла. Теория струн связана с мультивселенными, которые являются интерпретацией информации в бесконечном количестве миров с разным видом и формой развития абсолютно всего.

Свойства

Самыми важными свойствами струнной теории являются следующие:

1. Принципы, обуславливающие устройство Вселенной – это гравитация и механика квантового мира. Они являются компонентами, которые нельзя разделять при создании общей теории. Теория струн реализует данное предположение.
2. Исследования множества развитых концепций ХХ века, которые позволяют нам понимать фундаментальное устройство мира, всем множеством своих принципов работы и объяснения, объединяются и вытекают из теории струн.
3. Теория струн не обладает свободными параметрами, которые необходимо подгонять для обеспечения согласия, как, например, это требуется в стандартной модели.