|
Где сходятся квантовая теория и теория относительности
|
|
|
|
У физиков есть проблема — их ключевые модели квантовой теории и теории относительности не согласуются друг с другом. Сейчас доктор Вольфганг Виланд из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU) разрабатывает подход, который примиряет две теории в проблемной области. Недавно опубликованная статья, опубликованная в журнале Classical and Quantum Gravity, дает надежду на то, что это может сработать.
|
|
|
|
Во Вселенной действуют четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействие. В то время как общая теория относительности описывает гравитацию, квантовая теория имеет дело с тремя другими силами. Это создает проблему: "Еще в 1930-х годах было признано, что две теории не согласуются друг с другом", - объясняет доктор Виланд, который возглавляет проект Гейзенберга по этой теме на кафедре квантовой гравитации в FAU.
|
|
|
|
Обычно это не имеет серьезных последствий: общая теория относительности в основном используется для расчета поведения больших масс во Вселенной. Квантовая теория, с другой стороны, фокусируется на мире мельчайших объектов. Однако для лучшего понимания ключевых явлений, таких как Большой взрыв или черные дыры, необходима модель, объединяющая обе концепции, — квантовая гравитация. Общая теория относительности утверждает, что вся материя в черной дыре сосредоточена в одной крошечной точке. Поэтому важно понять, как гигантские гравитационные силы действуют в микромире, хотя именно здесь на самом деле применяются законы квантовой механики.
|
|
|
|
|
|
|
Понятия причины и следствия неприменимы к черным дырам
|
|
|
|
Теория квантовой гравитации может перевернуть наше представление о причинно—следственной связи в экстремальных условиях с ног на голову: "Время определяет взаимосвязь между причиной и следствием - причины лежат в прошлом, следствия - в будущем", - объясняет Виланд. "Это предположение прочно укоренилось в квантовой механике. Однако общая теория относительности предсказывает, что большие массы искривляют пространство-время из-за своей гравитации. В черной дыре этот эффект настолько силен, что термины "до" и "после" теряют смысл. Это имеет огромное значение для нашего понимания причин и следствий."
|
|
|
|
На протяжении десятилетий исследователи пытались найти теорию квантовой гравитации, которая позволяла бы делать заявления в таких экстремальных условиях. Одна из проблем заключается в том, что в квантовой теории энергия делится на минимально возможные составляющие - кванты. Такие наблюдаемые величины, как энергия или момент импульса, могут принимать только дискретные значения, а не непрерывные. Это также влияет на электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, они также "квантуются".
|
|
|
|
Гравитацию нельзя просто разложить на кванты, но, поскольку, согласно теории относительности, она возникает из-за искривления пространства-времени, возможен обходной путь. "Наш подход заключается в том, что пространство и время сами по себе не непрерывны, а состоят из небольших фрагментов", - объясняет Виланд. "Если этот тезис верен, то гравитацию также можно описать с помощью квантовой теории".
|
|
Является ли пространство-время гранулированным?
|
|
|
|
В квантованном пространстве-времени мы не можем перемещать чашку на любое произвольное расстояние, только на фиксированные шаги. Аналогично, нет часов, которые делили бы течение времени на произвольно точные интервалы — оно движется поэтапно, как секундная стрелка аналоговых часов. В макроскопическом мире эти шаги не наблюдаются, поскольку они чрезвычайно малы.
|
|
|
|
Важную роль в этой концепции квантованного пространства-времени играют планковские единицы, введенные Максом Планком. Это фундаментальная система единиц, которая может быть построена исключительно на основе скорости света и естественных констант гравитации и квантовой теории. Другая постоянная, планковская степень, может быть рассчитана в планковских единицах. Текущая публикация Виланда посвящена планковской степени.
|
|
|
|
"В настоящее время мы понимаем, что мощность, то есть количество энергии, которое может излучаться за единицу времени, может стать бесконечно большим в нашей Вселенной", — объясняет он. "Это приводит к тому, что некоторые уравнения в частных производных в квантово-теоретическом описании гравитации становятся неразрешимыми".
|
|
|
|
В своем исследовании Виланд показывает, что в квантованном пространстве-времени существует верхний предел мощности. Этот предел, который, как и скорость света, не может быть превышен, и есть вышеупомянутая планковская мощность. Он невообразимо велик — 1053 Вт, но все же ограничен.
|
|
|
|
"Если мои теоретические соображения подтвердятся, то можно будет разложить силу гравитационных волн на мельчайшие кванты", - объясняет Виланд. В своем проекте Гейзенберга он не только обратится к этой проблеме, но и к вопросу о том, как гравитация влияет на причинно-следственную структуру мира.
|
|
|
|
Источник
|
