Ква нтовая гравита ция направление исследований в теоретической физике целью которого является квантовое описание гравит

Ква́нтовая гравита́ция — направление исследований в теоретической физике, целью которого является квантовое описание гравитационного взаимодействия (и, в случае успеха, — объединение гравитации с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, описываемыми Стандартной моделью, то есть построение так называемой «»).

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (*Термины — гиперссылки на статьи Википедии*)

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

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

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.

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.

Ещё одной перспективной теорией 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:

и другие аналоговые модели гравитации
(Причинная динамическая триангуляция)
(Причинные множества)
(см. книгу «Approaches to Quantum Gravity. Toward a New Understanding of Space, Time and Matter» и приведённые там ссылки)
(Некоммутативная геометрия)
(Интеграл Пути) модель (Квантовая космология)
(Исчисление Редже)
(Интегральный метод)
(что приводит к бесщелевой спиральности ± 2 возбуждений без каких-либо других бесщелевых возбуждений)
или теория
(Супергравитация)
(Твистор)-модели (см. главу 33 книги Р. Пенроуза «Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель» и приведённые там ссылки)
(Цифровая физика)

Экспериментальная проверка

Проводятся^[] первые опыты по выявлению квантовых свойств гравитации путём исследования гравитационного поля очень малых массивных тел, которые удаётся перевести в состояние (квантовой суперпозиции).

См. также

Теория всего
Теория струн
(М-теория)
(Петлевая квантовая гравитация)
(Квантовая теория поля в искривлённом пространстве-времени)
(Нерешённые проблемы современной физики)

Примечания

(Юкава Х.) Лекции по физике. — М., Энергоиздат, 1981. — с. 78-81
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).
Фролов В. П. Квантовая теория гравитации (по материалам II Международного семинара по квантовой теории гравитации, Москва, 13-15 октября 1981 г.) от 13 сентября 2013 на Wayback Machine, УФН, 1982, т. 138, с. 151.
(Вайнберг С.) Гравитация и космология — М.: Мир, 1975. — С. 307.
(Хлопов Ю. М.) Гравитационное взаимодействие // Физический энциклопедический словарь. — под ред. А. М. Прохорова — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — . — Тираж 10000 экз. — с. 137
А если бы мы хотели продвинуться до «планковской энергии» $10^{19}$ ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантово-гравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 световых лет.
(Сисакян А. Н.) Избранные лекции по физике частиц. — Дубна, ОИЯИ, 2004. — c. 95
(Иваненко Д. Д.), (Сарданишвили Г. А.) . Гравитация. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 200 с. — 1280 экз. — .
^[англ.]. Canonical Gravity: From Classical to Quantum (неопр.) / Ehlers, Jürgen; Friedrich, Helmut. — Springer, 1994. — .
^[англ.]. Forks in the Road, on the Way to Quantum Gravity (неопр.) // ^[англ.]. — 1997. — Т. 36, № 12. — С. 2759—2781. — doi:10.1007/BF02435709. — (Bibcode): 1997IJTP...36.2759S. — arXiv:gr-qc/9706002.
Loll, Renate. Discrete Approaches to Quantum Gravity in Four Dimensions (англ.) // (Living Reviews in Relativity) : journal. — 1998. — Vol. 1. — P. 13. — (Bibcode): 1998LRR.....1...13L. — arXiv:gr-qc/9805049. 22 января 2020 года.
^[англ.]. Lectures on Quantum Gravity (неопр.) / Gomberoff, Andres; Marolf, Donald. — Springer, 2005. — .
Oriti, 2009.
(Stephen Hawking). 300 Years of Gravitation (неопр.) / Hawking, Stephen W.; Israel, Werner. — Cambridge University Press, 1987. — С. 631—651. — ..
Klimets AP, Philosophy Documentation Center, Western University-Canada, 2017, pp.25-32 (неопр.). Дата обращения: 25 июня 2021. 1 июля 2019 года.
A.P. Klimets. (2023). Quantum Gravity. Current Research in Statistics & Mathematics, 2(1), 141-155. (неопр.) Дата обращения: 25 декабря 2023. 23 декабря 2023 года.
Levin M., Wen Xiao-Gang. . Detecting Topological Order in a Ground State Wave Function // Physical Review Letters, 2006, 96 (11). — P. 110405. — doi:10.1103/PhysRevLett.96.110405.
Пенроуз, 2007.
Клара Московиц Запутанные пространством-временем от 7 июля 2017 на Wayback Machine // (В мире науки). — 2017. — № 5-6. — С. 118—125.
Тим Фолджер. Квантовая гравитация в лаборатории // (В мире науки). — 2019. — № 5—6. — С. 100—109.

Литература

(Горелик Г. Е.) Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К 70-летию неразрешённой проблемы. от 17 июня 2012 на Wayback Machine // (Успехи физических наук), том 175, № 10 (октябрь 2005).
Пенроуз Р. . Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель = The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe / Пер. с англ. А. Р. Логунова, Э. М. Эпштейна. — М.—Ижевск: ИКИ, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. — 912 с. — .
Approaches to Quantum Gravity. Toward a New Understanding of Space, Time and Matter / Ed. by D. Oriti. — Cambridge: Cambridge University Press, 2009. — xix + 583 p. — .

Ссылки

Квантовая гравитация от 6 мая 2013 на Wayback Machine // Лекция Д. И. Казакова в проекте ПостНаука (13.11.2012)
Пол Шеллард и др. (Quantum Gravity Архивировано 10 февраля 2012 года.). // Пер. с англ. В. Г. Мисовца. Ссылка проверена 08:45, 23 ноября 2007 (UTC).
(Смолин, Ли). Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует от 1 февраля 2014 на Wayback Machine
Merali, Zeeya. Разделение времени и пространства. Новая квантовая теория отвергает пространство-время Эйнштейна от 3 июля 2011 на Wayback Machine // Scientific American. (December 2009).

[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).

[frolov-3] Фролов В. П. Квантовая теория гравитации (по материалам II Международного семинара по квантовой теории гравитации, Москва, 13-15 октября 1981 г.) от 13 сентября 2013 на Wayback Machine, УФН, 1982, т. 138, с. 151.

[4] (Вайнберг С.) Гравитация и космология — М.: Мир, 1975. — С. 307.

[Chlop-5] (Хлопов Ю. М.) Гравитационное взаимодействие // Физический энциклопедический словарь. — под ред. А. М. Прохорова — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — . — Тираж 10000 экз. — с. 137

[6] А если бы мы хотели продвинуться до «планковской энергии» $10^{19}$ ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантово-гравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 световых лет.
(Сисакян А. Н.) Избранные лекции по физике частиц. — Дубна, ОИЯИ, 2004. — c. 95

[7] (Иваненко Д. Д.), (Сарданишвили Г. А.) . Гравитация. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 200 с. — 1280 экз. — .

[8] ^[англ.]. Canonical Gravity: From Classical to Quantum (неопр.) / Ehlers, Jürgen; Friedrich, Helmut. — Springer, 1994. — .

[9] ^[англ.]. Forks in the Road, on the Way to Quantum Gravity (неопр.) // ^[англ.]. — 1997. — Т. 36, № 12. — С. 2759—2781. — doi:10.1007/BF02435709. — (Bibcode): 1997IJTP...36.2759S. — arXiv:gr-qc/9706002.

[10] Loll, Renate. Discrete Approaches to Quantum Gravity in Four Dimensions (англ.) // (Living Reviews in Relativity) : journal. — 1998. — Vol. 1. — P. 13. — (Bibcode): 1998LRR.....1...13L. — arXiv:gr-qc/9805049. 22 января 2020 года.

[11] ^[англ.]. Lectures on Quantum Gravity (неопр.) / Gomberoff, Andres; Marolf, Donald. — Springer, 2005. — .

[_961bd6911da0ee27-12] Oriti, 2009.

[13] (Stephen Hawking). 300 Years of Gravitation (неопр.) / Hawking, Stephen W.; Israel, Werner. — Cambridge University Press, 1987. — С. 631—651. — ..

[14] Klimets AP, Philosophy Documentation Center, Western University-Canada, 2017, pp.25-32 (неопр.). Дата обращения: 25 июня 2021. 1 июля 2019 года.

[15] A.P. Klimets. (2023). Quantum Gravity. Current Research in Statistics & Mathematics, 2(1), 141-155. (неопр.) Дата обращения: 25 декабря 2023. 23 декабря 2023 года.

[16] Levin M., Wen Xiao-Gang. . Detecting Topological Order in a Ground State Wave Function // Physical Review Letters, 2006, 96 (11). — P. 110405. — doi:10.1103/PhysRevLett.96.110405.

[_af75f418f92e8adb-17] Пенроуз, 2007.

[BMN052017-18] Клара Московиц Запутанные пространством-временем от 7 июля 2017 на Wayback Machine // (В мире науки). — 2017. — № 5-6. — С. 118—125.

[МЬТ201956-19] Тим Фолджер. Квантовая гравитация в лаборатории // (В мире науки). — 2019. — № 5—6. — С. 100—109.