Две главные теории физики не работают вместе: что такое квантовая гравитация

Фото: depositphotos.com

До сих пор ученые не имеют полного понимания о физике, действующей в нашей Вселенной. Для понимания Вселенной в малых масштабах у физиков есть теория квантовой механики. Парадигмой квантовой механики является Стандартная модель физики элементарных частиц, которая объясняет природу и поведение многих самых маленьких частиц. Но в больших масштабах объектами во Вселенной управляет гравитация, которая описана в общей теории относительности Эйнштейна. Физики пытаются объединить две теории, но пока этого не удалось. Известно, что квантовая механика и общая теория относительности несовместимы друг с другом. Квантовая гравитация является ключом к тому, чтобы заставить квантовый мир и мир гравитации работать вместе, пишет Space.

Теория квантовой гравитации

Физикам необходима теория квантовой гравитации, чтобы полностью объяснить нашу реальность, как мельчайших масштабах, так и в крупных. Для этого нужно соединить квантовую механику и гравитацию, но пока что известно, что они не могут работать вместе. Хотя существует много моделей квантовой гравитации ни одна из них пока не доказана, то физики уверены, что квантовая гравитация существует.

С помощью квантовой гравитации можно объяснить физику черных дыр, где законы классической физики не работают, а также физику, существовавшую в первые мгновения после рождения Вселенной. Также теория квантовой гравитации поможет разобраться с квантовой запутанностью и физикой конденсированного состояния.

Чем отличается квантовая механика и теория гравитации?

В квантовой механике такие значения, как положение, импульс, энергия и спин, квантуются, то есть они могут принимать только определенные дискретные значения, а не какое-либо значение. Представьте, что вы рисуете картину с помощью 64 цветных карандашей. Но эти цвета смешать нельзя, то есть все они являются дискретными. Гравитация является примером классической физики, где частицы или объекты принимают любые значения по своему выбору. Если снова вернуться к примеру с картиной, то в данном случае цвета можно смешивать и получать промежуточные оттенки.

Есть и другие различия между двумя теориями. В квантовой механике свойства частиц никогда не являются однозначными. Вместо этого они описываются волновыми функциями, которые дают только вероятное значение. А в общей теории относительности, которая описывает гравитацию, такой неопределенности не существует.

Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет, как работают три из четырех фундаментальных сил природы: электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие. Каждая из этих сил переносится между частицами с помощью бозонов.

Неизвестно, есть ли у гравитации частица, которая также является посредником для ее взаимодействия с частицами или объектами. Гипотетически такая частица, названная гравитон, может существовать, но ее так пока и не нашли физики.

Для объяснения всей Вселенной нужно новая теория

И общая теория относительности Эйнштейна, и Стандартная модель физики элементарных частиц, хорошо работают отдельно. Но физика оказывается неполной, когда каждая из этих теорий выходит за рамки своего "рабочего режима".

Например, согласно общей теории относительности, частица света, то есть фотон, при перемещении по Вселенной должен следовать классическому пути, который совпадает с искривлением пространства-времени под действием гравитации. Но фотон также подчиняется правилам электромагнитной силы, управляемой квантовой механикой и физики не знают, как записать законы квантовой механики в искривленном пространстве-времени.

Если мы хотим полностью понять Вселенную, нужен способ объединить несовместимые теории, и квантовая гравитация позволяет это сделать. Некоторые физики пытаются квантовать гравитацию или модифицировать ее, чтобы она была совместима с квантовой механикой. Другие ученые пытаются модифицировать квантовую механику, чтобы она лучше согласовывалась с гравитацией. Таким образом ученые пытаются создать теорию квантовой гравитации, но пока что эти попытки не увенчались успехом.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform