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 так называемой «теории всего»).
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы — слева, бозоны — справа. (Изображение интерактивно.)
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 вследствие того, что гравитационная постоянная является размерной величиной[2][3]. 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.
Предпринимаются попытки квантования гравитации на основе геометродинамического подхода и на основе метода функциональных интегралов[4].
Квантовая теория всемирного тяготения[]
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 Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle 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 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 . 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 .
Отсюда следует, что принцип соответствия для квантовой теории всемирного тяготения не может быть столь простым. Речь идёт о том, преобразования (эквивалентно пределу малых скоростей v ≪ c) и (эквивалентно пределу больших значениях действия ) должны выполняться не произвольно, а одновременно.
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 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[]
 |
Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.
|
Существуют бесчисленное количество подходов к квантовой гравитации. Подходы различаются в зависимости от характеристик остающихся неизменными и тех которые меняются.[5][6] Примеры включают:
- Акустическая метрика и другие аналоговые модели гравитации
- Асимптоматическая безопасность
- Причинная динамическая триангуляция[7]
- Causal sets[8]
- Теория полей групп[9]
- MacDowell–Mansouri действие
- Некоммутативная геометрия
- Интеграл Пути модель Квантовая космология[10]
- Исчисление Редже
- Сеть Струнной жидкости что приводит к бесщелевой спиральности ± 2 возбуждений без каких-либо других бесщелевых возбуждений[11]
- Сверхжидкий вакуум или теория BEC вакуума
- Супергравитация
- Твистор-модели[12]
См. также[]
- Теория всего
- Теория струн
- М-теория
- Петлевая квантовая гравитация
- Квантовая теория поля в искривлённом пространстве-времени
- Нерешённые проблемы современной физики
Литература[]
Ссылки[]
- Квантовая гравитация // лекция Д. И. Казакова в проекте ПостНаука (13.11.2012)
- 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)
Примечания[]
- ↑ 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.
- ↑ В. П. Фролов Квантовая теория гравитации (по материалам II Международного семинара по квантовой теории гравитации, Москва, 13-15 октября 1981 г.), УФН, 1982, т. 138, с. 151
- ↑ Вайнберг С. Гравитация и космология. — М.: Мир, 1975. — С. 307.
- ↑ Иваненко Д. Д., Сарданишвили Г. А.. Гравитация. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 200 с. — 1280 экз. — ISBN 5-354-00538. (см. ISBN )
- ↑ Isham, Christopher J. (1994). "Prima facie questions in quantum gravity". in Ehlers, Jürgen; Friedrich, Helmut. Canonical Gravity: From Classical to Quantum. Springer. ISBN 3-540-58339-4.
- ↑ 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.
- ↑ Loll, Renate (1998). "Discrete Approaches to Quantum Gravity in Four Dimensions". Living Reviews in Relativity 1: 13. Bibcode: 1998LRR.....1...13L. Retrieved on 2008-03-09.
- ↑ Sorkin, Rafael D. (2005). "Causal Sets: Discrete Gravity". in Gomberoff, Andres; Marolf, Donald. Lectures on Quantum Gravity. Springer. ISBN 0-387-23995-2.
- ↑ See Daniele Oriti and references therein.
- ↑ Hawking, Stephen W. (1987). "Quantum cosmology". in Hawking, Stephen W.; Israel, Werner. 300 Years of Gravitation. Cambridge University Press. pp. 631–651. ISBN 0-521-37976-8..
- ↑ Wen 2006
- ↑ See ch. 33 in Penrose 2004 and references therein.
|
- Страница 0 - краткая статья
- Страница 1 - энциклопедическая статья
- Разное - на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
- Прошу вносить вашу информацию в «Квантовая гравитация 1», чтобы сохранить ее