Квантовая гравитация | это... Что такое Квантовая гравитация? (original) (raw)

Ква́нтовая гравита́ция — направление исследований в теоретической физике, целью которого является квантовое описание гравитационного взаимодействия (и, в случае успеха — объединение таким образом гравитации с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, то есть построение т. н. «теории всего»).

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы слева, Бозоны справа. (пункты на картинке кликабельны)

Содержание

• 1 Проблемы создания
• 2 Перспективные кандидаты
  • 2.1 Другие подходы
• 3 См. также
• 4 Примечания
• 5 Ссылки

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. 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[1].

Даже попытка провести квантование линеаризованной классической теории гравитации (ОТО) наталкивается на многочисленные технические трудности — квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией. Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий, недоступны современным технологиям. В связи с этим в поиске правильной формулировки квантовой гравитации приходится пока опираться только на теоретические выкладки.

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, не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса[источник не указан 339 дней].

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 х0 без указания х0.

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.[2][3] Примеры включают:

• Акустическая метрика и другие аналоговые модели гравитации
• Асимптоматическая безопасность
• Причинная динамическая триангуляция[4]
• Causal sets[5]
• Теория полей групп[6]
• MacDowell–Mansouri действие
• НеКоммутативная геометрия.
• Интеграл Пути модель Квантовая космология[7]
• Исчисление Регге
• Сеть Струнной жидкости что приводит к бесщелевой спиральности ± 2 возбуждений без каких-либо других бесщелевых возбуждений [8]
• Сверхжидкий вакуум или теория BEC вакуума
• Супергравитация
• Твистор модели[9]

См. также

• Теория всего
• Теория струн
• М-теория
• Петлевая квантовая гравитация
• Нерешённые проблемы современной физики

Примечания

1. ↑ 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.
2. ↑ Isham Christopher J. Canonical Gravity: From Classical to Quantum. — Springer, 1994. — ISBN 3-540-58339-4
3. ↑ Sorkin, Rafael D. (1997). «Forks in the Road, on the Way to Quantum Gravity». International Journal of Theoretical Physics 36 (12): 2759–2781. DOI:10.1007/BF02435709. Bibcode: 1997IJTP...36.2759S.
4. ↑ Loll, Renate (1998). «Discrete Approaches to Quantum Gravity in Four Dimensions». Living Reviews in Relativity 1: 13. Bibcode: 1998LRR.....1...13L. Проверено 2008-03-09.
5. ↑ Sorkin Rafael D. Lectures on Quantum Gravity. — Springer, 2005. — ISBN 0-387-23995-2
6. ↑ See Daniele Oriti and references therein.
7. ↑ Hawking Stephen W. 300 Years of Gravitation. — Cambridge University Press, 1987. — P. 631–651. — ISBN 0-521-37976-8.
8. ↑ Wen 2006
9. ↑ See ch. 33 in Penrose 2004 and references therein.

Ссылки

• Пол Шеллард и др. Квантовая гравитация (Quantum Gravity). Пер. с англ. В. Г. Мисовца. Ссылка проверена 08:45, 23 ноября 2007 (UTC).
• Zeeya Merali. Разделение времени и пространства. Новая квантовая теория отвергает пространство-время Эйнштейна // Scientific American. (December 2009)
• Г. Е. Горелик Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию неразрешённой проблемы. // Успехи физических наук, Том 175, №10 (октябрь 2005)