Что такое квантовая гравитация и почему она считается самой сложной проблемой в физике?
Когда слово «гравитация» приходит нам в голову, мы думаем о планетах, вращающихся вокруг своих звезд, о гравитационном взаимодействии между массивными галактиками, гигантской гравитационной силе, которой обладают нейтронные звезды, черные дыры и т.д. Но как насчет крошечных мелких частиц, существующих в нашей Вселенной? А как насчет микроскопического квантового мира? Знают ли они и испытывают гравитацию так же, как мы? Или у них все по-другому? Что ж, чтобы найти ответы на все эти вопросы, возникла теория "квантовой гравитации".
Так что же такое квантовая гравитация? Зачем она нужна? Давайте углубимся, чтобы ответить на эти вопросы!
Проще говоря, квантовая гравитация - это теоретическая основа, целью которой является описание того, как сила гравитации действует на мельчайшие частицы Вселенной. Являясь квантовой теорией гравитации, она стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, а также в ситуациях, когда квантовые эффекты нельзя игнорировать, в так называемом масштабе Планка.
Зачем нам нужна квантовая теория гравитации?
Около века назад Альберт Эйнштейн предложил свою Общую Теорию Относительности и отбросил давно существовавшее понятие ньютоновской гравитации простого притяжения между объектами с описанием материи или энергии, искривляющей пространство и время вокруг нее. Несомненно, общая теория относительности успешно прошла все испытания, которые ей бросали снова и снова, и полностью объясняет гравитационное взаимодействие в макроскопическом масштабе. Но когда физики пытаются вычислить кривизну пространства вокруг электрона или других таких небольших объектов, математика становится невозможной.
Более того, на расстояниях, очень близких к центру черных дыр, которые меньше планковской длины, квантовые флуктуации пространства-времени играют важную роль. Итак, когда кто-то пытается очертить гравитационное поле черной дыры в общей теории относительности, кривизна пространства-времени расходится в центре, тем самым сигнализируя о крахе общей теории относительности и намекая на необходимость теории, которая выходит за рамки общей теории относительности, а также учитывает квантовые эффекты.
Гравитоны и теория всего
Четыре фундаментальные силы управляют нашей Вселенной: гравитационная сила, которая управляет движением планет, электромагнитная сила, изучающая взаимодействие между зарядами. Сильное взаимодействие объясняет устойчивость ядра, а слабое взаимодействие связано с радиоактивностью. Квантовая механика предполагает, что все состоит из квантов или пакетов энергии, которые могут вести себя как частица и волна; например, фотон - это квант света и так далее. Итак, каждая сила должна иметь квант или носитель силы, связанный с ней, если это полностью верно в квантовом мире.
За исключением гравитации, три фундаментальные силы уже, как известно, следуют этим законам квантовой механики и имеют связанный с ними носитель силы. Следовательно, их достоверность в квантовом мире не вызывает сомнений. Что касается силы тяжести, то здесь все по-другому, поскольку общая относительность полностью основана на классических рамках. Со временем физики связали гипотетический носитель силы с гравитацией, и этот гипотетический квант силы тяжести и есть то, что мы называем гравитоном.
Если однажды гипотетический статус гравитона изменится на реальный, это докажет, что гравитация также хорошо вписывается в квантовую механику, что в конечном итоге приблизит ученых к гигантскому скачку "теории всего".
Различные теории квантовой гравитации
За прошедшие годы было выдвинуто несколько подходов к объяснению квантовой гравитации, и, следовательно, было предложено несколько теорий кандидатов. Наиболее известными подходами в этом контексте являются теория струн, каноническая теория квантования, петлевая квантовая теория, евклидовая квантовая теория, а последним является квантовая гравитационная теория, основанная на квантовых вычислениях.
Однако некоторые из этих теорий имеют тенденцию напрямую квантовать гравитацию, в то время как другие косвенно предпочитают выполнять эту задачу. Гравитация - это теория, основанная на геометрии и расстоянии, поэтому обычно нормальный подход к квантованию гравитации заключается в квантовании метрики пространства-времени. Ни одна из упомянутых теорий не является полной и последовательной квантовой теорией гравитации. Все они постоянно развиваются, с каждым днем появляются новые идеи, что делает квантовую гравитацию одной из самых активных областей исследований в наши дни с большим количеством возможностей.
Несомненно, теории квантовой гравитации сталкиваются с множеством проблем, поскольку их экспериментальное подтверждение связано с ограниченностью ресурсов. Однако многие надеются, что теория квантовой гравитации однажды позволит нам понять проблемы очень высоких энергий и минимальных размеров пространства, таких как поведение черных дыр, происхождение Вселенной и многое другое. А пока продолжайте исследовать! Никогда не знаешь, что когда-нибудь ты станешь тем, кто получит Нобелевскую премию за какой-нибудь прорыв в области квантовой гравитации!