Квантовая гравитация является в теоретической физике направлением исследований, целью которого выступает описание гравитационного взаимодействия.
Роль гравитации в квантовой физике
В квантовой физике гравитация характеризует фундаментальное универсальное взаимодействие всех материальных тел в физическом мире. В области малых (в отношении скорости света) скоростей и несильного гравитационного взаимодействия гравитация описывается теорией тяготения Ньютона. В общем случае она может быть описана с помощью теории относительности Эйнштейна.
Гравитационное взаимодействие в квантовом пределе предположительно описывает квантовая теория гравитации, которая пока не разработана учеными. Гравитация играет существенную роль в эволюции и структуре Вселенной. Она:
- способствует установлению связи между скоростью расширения Вселенной и ее плотностью;
- определяет ключевые условия для равновесия и устойчивости астрономических систем;
- способствует существованию звезд и галактик.
Гравитационное притяжение описывается посредством закона о всемирном тяготении Ньютона, согласно которому, сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками с массами $m_1$ и $m_2$, разделенных расстоянием $r$, будет прямо пропорциональна этим двум массам и также обратно пропорциональна квадрату расстояния. Это показывает формула:
$F=G\frac{m_1m_2}{r^2}$,
где $G$ представляет гравитационную постоянную.
Проблемы создания теории квантовой гравитации
Теория квантовой гравитации, несмотря на проведение учеными активных исследований в этой области, до сих пор не построена. Основная сложность ее построения заключается в противоречивых идеях двух физических теорий, которые квантовая гравитация пытается связать вместе:
- квантовой механики;
- общей теории относительности.
Эти две теории базируются на разных наборах принципов. Квантовая механика формулируется в качестве теории, описывающей временную эволюцию физических систем на фоне внешнего пространства-времени (это могут быть элементарные частицы или атомы).
В то же время, в общей теории относительности не существует внешнего пространства-времени, поскольку оно само представляет динамическую переменную теорию, зависимую от характеристик классических систем, которые находятся в нем.
Переход к квантовой гравитации требует, как минимум, замены системы на квантовую (то есть возникает необходимость квантования), при этом тензор энергии импульса становится квантовым оператором. Появляющаяся при этом требует определенного квантования геометрии самого пространства-времени. В то же время, физический смысл подобного квантования остается абсолютно неясным, и отсутствует какая-либо попытка его проведения, исключающая противоречия.
Даже попытки провести квантование линеаризованной классической теории гравитации сталкивается со многими проблемами технического плана. Таким образом, квантовая гравитация становится неперенормируемой теорией в силу того, что гравитационная постоянная представляет размерную величину. В системе единиц $\bar{h}=c=1$ она представляет размерную константу, имеющую размерность обратного квадрата массы, подобно константе Ферми для взаимодействия слабых токов:
$G_F=\frac{10^{-5}}{m_p^2}$,
где $m_p$ представляет массу протона.
Ситуация усугубляется фактом недоступности для современных технологий на сегодняшний день прямых экспериментов в области квантовой гравитации. Это объясняется слабостью самих гравитационных взаимодействий. По этой причине правильная формулировка квантовой гравитации пока опирается только на теоретические выкладки.
Учеными предпринимаются активные попытки квантования гравитации на основании геометро-динамического подхода, а также метода функциональных интегралов. Другие подходы к решению проблемы квантования гравитации предпринимаются в рамках теорий дискретного пространства-времени и супергравитации.
Основные направления квантовой гравитации
К двум основным направлениям, пытающимся обосновать квантовую гравитацию, относятся: квантовая (петлевая) гравитация и теория струн.
В теории струн фоновое пространство-время и частицы заменяют струны и их многомерные аналоги (называемые бранами). Для многомерных задач браны считаются многомерными частицами. Однако, с точки зрения частиц, перемещающихся внутри этих бран, они относятся к пространственно-временным структурам.
Во втором подходе (при петлевой квантовой гравитации) делается попытка формулировки квантовой теории поля без непосредственной привязки к пространственно-временному фону. Пространство и время, согласно этой теории, считаются состоящими из дискретных частей – небольших квантовых ячеек пространства, определенным образом соединенных друг с другом. На малых масштабах длины и времени они способны создавать пеструю, дискретную структуру пространства, а на больших – плавно переходить в непрерывное гладкое пространство-время.
Хотя многие из космологических моделей могут описать поведение Вселенной только, начиная от времени после Большого взрыва, петлевая квантовая гравитация способна описать даже сам процесс взрыва.
Основную проблему здесь представляет выбор координат. С помощью внешних форм можно сформулировать и общую теорию относительности (в безкоординатной форме). При этом стоит учитывать тот факт, что вычисления тензора Римана могут производиться только в конкретной метрике.
Еще одну перспективную теорию представляет причинная динамическая триангуляция. В данной теории пространственно-временное многообразие выстраивается из элементарных евклидовых симплексов (треугольник, пентахор, тетраэдр) на основании принципа причинности. В макроскопических масштабах четырехмерность и псевдоевклидовость пространства-времени в ней не постулируются, а становятся следствием теории.
