Мы спросили четырех физиков, почему гравитация выделяется среди сил природы. Мы получили четыре разных ответа. 
Введение
Физики проследили три из четырех сил природы — электромагнитную силу, а также сильные и слабые ядерные силы — до их истоков в квантовых частицах. Но четвертая фундаментальная сила, гравитация, отличается.
Наша текущая структура понимания гравитации, разработанная столетие назад Альбертом Эйнштейном, говорит нам, что яблоки падают с деревьев, а планеты вращаются вокруг звезд, потому что они движутся по кривым в пространственно-временном континууме. Эти кривые и есть гравитация. Согласно Эйнштейну, гравитация является свойством пространственно-временной среды; другие силы природы разыгрываются на этой сцене.
Но вблизи центра черной дыры или в первые мгновения Вселенной уравнения Эйнштейна ломаются. Физикам нужна более истинная картина гравитации, чтобы точно описать эти крайности. Эта более истинная теория должна делать те же предсказания, что и уравнения Эйнштейна делают везде.
Физики считают, что в этой более истинной теории гравитация должна иметь квантовую форму, как и другие силы природы. Исследователи искали квантовую теорию гравитации с 1930-х годов. Они нашли кандидатные идеи — в частности, теорию струн, которая утверждает, что гравитация и все другие явления возникают из крошечных вибрирующих струн — но пока эти возможности остаются предположительными и не до конца понятыми. Рабочая квантовая теория гравитации, возможно, является самой высокой целью физики сегодня.
Что делает гравитацию уникальной? Что отличает четвертую силу от других, что мешает исследователям найти ее базовое квантовое описание? Мы спросили четырех разных исследователей квантовой гравитации. Мы получили четыре разных ответа.
Гравитация порождает сингулярности
Клаудия де Рам, физик-теоретик из Имперского колледжа Лондона, работала над теориями массивной гравитации, которые предполагают, что квантованными единицами гравитации являются массивные частицы:
Общая теория относительности Эйнштейна правильно описывает поведение гравитации на почти 30 порядках величины, от субмиллиметровых масштабов вплоть до космологических расстояний. Ни одна 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, казалось бы, может дать окончательное описание гравитации. Однако общая теория относительности замечательна тем, что она предсказывает свое собственное падение.
Общая теория относительности дает предсказания черных дыр и Большого взрыва в начале нашей Вселенной. Однако «сингулярности» в этих местах, таинственные точки, где кривизна пространства-времени, кажется, становится бесконечной, действуют как флаги, которые сигнализируют о крахе общей теории относительности. По мере приближения к сингулярности в центре черной дыры или сингулярности Большого взрыва, предсказания, выведенные из общей теории относительности, перестают давать правильные ответы. Должно взять верх более фундаментальное, базовое описание пространства и времени. Если мы откроем этот новый слой физики, мы сможем достичь нового понимания самих пространства и времени.
Если бы гравитация была любой другой силой природы, мы могли бы надеяться исследовать ее глубже, проводя эксперименты, способные достигать все больших энергий и меньших расстояний. Но гравитация — это не обычная сила. Попробуйте подтолкнуть ее к раскрытию своих секретов после определенной точки, и экспериментальный аппарат сам по себе превратится в черную дыру.
Гравитация приводит к черным дырам
Дэниел Харлоу, теоретик квантовой гравитации из Массачусетского технологического института, известен применением квантовой теории информации к изучению гравитации и черных дыр:
Черные дыры — причина того, что сложно объединить гравитацию с квантовой механикой. Черные дыры могут быть только следствием гравитации, потому что гравитация — единственная сила, которую ощущают все виды материи. Если бы существовал какой-либо тип частиц, не ощущающих гравитации, мы могли бы использовать эту частицу, чтобы послать сообщение изнутри черной дыры, так что она на самом деле не была бы черной.
Тот факт, что вся материя чувствует гравитацию, вводит ограничение на типы возможных экспериментов: какой бы аппарат вы ни построили, независимо от того, из чего он сделан, он не может быть слишком тяжелым, иначе он обязательно гравитационно схлопнется в черную дыру. Это ограничение не имеет значения в повседневных ситуациях, но становится существенным, если вы пытаетесь построить эксперимент для измерения квантово-механических свойств гравитации.
Наше понимание других сил природы основано на принципе локальности, который гласит, что переменные, описывающие происходящее в каждой точке пространства — например, сила электрического поля там — могут изменяться независимо друг от друга. Более того, эти переменные, которые мы называем «степенями свободы», могут напрямую влиять только на своих непосредственных соседей. Локальность важна для того, как мы в настоящее время описываем частицы и их взаимодействия, потому что она сохраняет причинно-следственные связи: если бы степени свободы здесь, в Кембридже, штат Массачусетс, зависели от степеней свободы в Сан-Франциско, мы могли бы использовать эту зависимость для достижения мгновенной связи между двумя городами или даже для отправки информации назад во времени, что привело бы к возможным нарушениям причинно-следственной связи.
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 других сил). Чтобы подтвердить, что локальность сохраняется на этих масштабах расстояний, нам нужно построить аппарат, способный проверить независимость степеней свободы, разделенных такими малыми расстояниями. Однако простой расчет показывает, что аппарат, который достаточно тяжел, чтобы избежать больших квантовых флуктуаций в своем положении, которые могли бы разрушить эксперимент, также обязательно будет достаточно тяжелым, чтобы схлопнуться в черную дыру! Следовательно, эксперименты, подтверждающие локальность на этом масштабе, невозможны. И квантовая гравитация, следовательно, не нуждается в соблюдении локальности на таких масштабах длины.
Действительно, наше понимание черных дыр на данный момент предполагает, что любая теория квантовой гравитации должна иметь существенно меньше степеней свободы, чем мы могли бы ожидать на основе опыта с другими силами. Эта идея кодифицирована в «голографическом принципе», который гласит, грубо говоря, что число степеней свободы в пространственной области пропорционально ее площади поверхности, а не ее объему.
Гравитация создает что-то из ничего
Хуан Малдасена, теоретик квантовой гравитации из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, наиболее известен тем, что открыл голографическую связь между гравитацией и квантовой механикой:
Частицы могут демонстрировать множество интересных и удивительных явлений. Мы можем иметь спонтанное создание частиц, запутывание между состояниями частиц, которые находятся далеко друг от друга, и частицы в суперпозиции существования в нескольких местах.
В квантовой гравитации само пространство-время ведет себя по-новому. Вместо создания частиц мы имеем создание вселенных. Считается, что запутанность создает связи между отдаленными областями пространства-времени. У нас есть суперпозиции вселенных с различной геометрией пространства-времени.
Более того, с точки зрения физики частиц, вакуум пространства является сложным объектом. Мы можем представить себе множество сущностей, называемых полями, наложенными друг на друга и простирающимися по всему пространству. Значение каждого поля постоянно колеблется на коротких расстояниях. Из этих колеблющихся полей и их взаимодействий возникает состояние вакуума. Частицы являются возмущениями в этом состоянии вакуума. Мы можем представить их как небольшие дефекты в структуре вакуума.
Когда мы рассматриваем гравитацию, мы обнаруживаем, что расширение Вселенной, по-видимому, производит больше этого вакуумного вещества из ничего. Когда создается пространство-время, оно просто оказывается в состоянии, которое соответствует вакууму без каких-либо дефектов. То, как вакуум появляется в точно правильном расположении, является одним из главных вопросов, на которые нам нужно ответить, чтобы получить последовательное квантовое описание черных дыр и космологии. В обоих этих случаях происходит своего рода растяжение пространства-времени, которое приводит к созданию большего количества вакуумного вещества.
Гравитацию невозможно рассчитать
Сера Кремонини, физик-теоретик из Университета Лихай, работает над теорией струн, квантовой гравитацией и космологией:
Есть много причин, по которым гравитация является особенной. Позвольте мне сосредоточиться на одном аспекте, идее о том, что квантовая версия общей теории относительности Эйнштейна является «неренормируемой». Это имеет последствия для поведения гравитации при высоких энергиях.
В квантовых теориях бесконечные члены появляются, когда вы пытаетесь вычислить, как очень энергичные частицы рассеиваются друг от друга и взаимодействуют. В теориях, которые перенормируемы — которые включают теории, описывающие все силы природы, кроме гравитации — мы можем удалить эти бесконечности строгим образом, соответствующим образом добавляя другие величины, которые эффективно их отменяют, так называемые контрчлены. Этот процесс перенормировки приводит к физически разумным ответам, которые согласуются с экспериментами с очень высокой степенью точности.
Проблема с квантовой версией общей теории относительности заключается в том, что вычисления, описывающие взаимодействия очень энергичных гравитонов — квантованных единиц гравитации — имели бы бесконечно много бесконечных членов. Вам пришлось бы добавлять бесконечно много контрчленов в бесконечном процессе. Перенормировка не сработает. Из-за этого квантовая версия общей теории относительности Эйнштейна не является хорошим описанием гравитации при очень высоких энергиях. В ней должны отсутствовать некоторые ключевые особенности и ингредиенты гравитации.
Однако мы все еще можем иметь совершенно хорошее приблизительное описание гравитации при более низких энергиях, используя стандартные квантовые методы, которые работают для других взаимодействий в природе. Решающим моментом является то, что это приблизительное описание гравитации будет нарушено на некотором энергетическом масштабе — или, что эквивалентно, ниже некоторой длины.
Выше этой энергетической шкалы или ниже связанной шкалы длины мы ожидаем найти новые степени свободы и новые симметрии. Чтобы точно охватить эти особенности, нам нужна новая теоретическая структура. Именно здесь вступает в дело 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 уроки о квантовом поведении гравитации.
Источник: www.quantamagazine.org
