CC BY
34
Иванов К.К.1, Ващенко И.А.2 ©
1 2
Студент, кафедра информационных систем управления; студент, кафедра информационной безопасности, Дальневосточный федеральный университет
Научный руководитель - Гордеев С.И.
Профессор, кандидат технических наук, кафедра информационной безопасности, Дальневосточный федеральный университет
ПРОБЛЕМЫ ОТКРЫТИЯ КВАНТОВОЙ ГРАВИТАЦИИ
Аннотация
В статье исследуется одна из главных проблем, не позволяющих создать унифицированную теорию всего - проблема квантовой гравитации, а также исследуются гравитационное взаимодействие и квантовая механика вместе со способами их объединения.
Ключевые слова: квантовая гравитация, теория всего, теория струн, петлевая квантовая гравитация, гравитация, квантовая механика, общая теория относительности.
Keywords: quantum gravity, theory of everything, string theory, loop quantum gravity, gravity, quantum mechanics, general theory of relativity.
Физика - это замечательная наука, прогресс которой, во многом, и определил существующий сегодня мир. Физика направлена на понимание и объяснение многообразных явлений. Он дает характеристику материи, различным объектам и взаимодействиям, которых на данный момент набралось пять: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное, а также поле Хиггса. Для каждого из них разработана своя теория, подкрепленная многочисленными экспериментами, однако объединить их всех в единую теорию, называемую теорией всего, так и не удалось. Одним из камней преткновения на пути к данной общей теории природы является проблема квантовой гравитации. Но что именно подразумевает под собой понятие теории всего и в чем же заключается проблема квантовой гравитации?
Вселенная состоит из двух типов объектов: поля, которое является носителем энергии, и физических объектов, обладающих определенной структурой, поддерживаемой полем [2]. Как было сказано выше, существует пять видов взаимодействия физических объектов. Каждое из них имеет разную структуру, однако высказываются гипотезы об их единообразии. Данное условие, суть которого заключается в объединении всех фундаментальных взаимодействий в одно, является главным для построения теории всего. Стоит отметить, что определенные шаги в данном направлении уже предприняты. Так благодаря трудам американских физиков Шелдона Ли Глэшоу и Стивена Вайнберга, а также пакистанского физика АбдальГани АсСалами, удалось объединить слабое и электромагнитное взаимодействие в единое электрослабое, а благодаря квантовой хромодинамике к этой паре добавилось еще и сильное взаимодействие. Присоединить же к ним и другие взаимодействия пока не удалось. Физики выделяют пять проблем [4], которые мешают данному процессу: проблема описания квантовой механики [5] (необходимость в нахождении сознательного наблюдателя, который при этом не может быть отделен от объекта наблюдения, то есть реальности, окружающей его), проблема объединения всех сил и частиц (неизвестно, какие частицы являются переносчиками гравитационного взаимодействия), проблема большого количества констант в модели физики элементарных частиц (нет четкого объяснения того, каким образом выбираются данные константы),
© Иванов К.К., Ващенко И. А., 2016 г.
проблема темной энергии и темной материи (о них практически ничего неизвестно, но установлено, что темная материя занимает около 90% Вселенной), а также упоминавшаяся ранее проблема квантовой гравитации. Рассмотрим ее подробнее.
Замысел создания теории квантовой гравитации состоит в описании гравитационного взаимодействия с точки зрения квантовой теории. При выполнении этого условия получится объединить сразу четыре фундаментальных взаимодействия. Но, к сожалению, пока сделать этого не удалось. Причина кроется в опирающихся на абсолютно разные принципы двух теориях (общей теории относительности и квантовой механики), объединить которые пытаются воедино.
Теория относительности сформулировала новое представление о пространстве и времени [1]. Дело в том, что механика Галилея и Ньютона утверждала, что пространство и время являются абсолютными. Теория относительности же сделала эти представления несостоятельными, представив пространственно-временные отношения не абсолютными. Она также показала, что пространство и время органически связаны между собой и образуют вместе пространственно-временной континуум. Они не существуют вне материи и независимо от нее. Дальнейшее развитие теории относительности, образовавшее интересующую нас общую теорию относительности, показало, что свойства пространства и времени определяются полями тяготения, действующими в рассматриваемой области, а также то, что пространственно-временной континуум зависит от концентрации масс и их движения в рассматриваемых областях.
Квантовая механика применяется для описания законов движения и взаимодействия микроскопических тел с учетом их волновых свойств. Когда она создавалась, а было это в начале двадцатого века, были известны лишь два взаимодействия: гравитационное и электромагнитное. Также не были обнаружены большинство известных сегодня частиц. После этого были открыты сильное и слабое взаимодействия, а вскоре квантовая механика стала физической основой химии. Благодаря ей получил объяснения открытый Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодический закон, орбитали же оказались всего лишь попыткой представить квантомеханические эффекты без использования самой квантовой механики. Однако у квантовой механики появилась одна большая проблема - с ростом числа частиц невероятно сильно возрастала сложность расчетов квантовой механики [6].
Основная причина, по которой не получается описать общую теорию относительности с точки зрения квантовой механики заключаются в том, что в квантовой механике рассматриваются временные изменения окружающего мира на фоне внешнего пространственно-временного континуума, а в ОТО сами пространство и время являются динамическими переменными, зависящими от характеристик находящихся в них физических объектов.
Несмотря на это, попытки квантования уравнений общей теории относительности принимались, но к успеху это не привело. Здесь ключевым фактором стало то, что при переходе от общей теории относительности к квантовой гравитации необходимо провести квантование, но при этом возникает особая связь, которая требует также квантования геометрии самого пространственно-временного континуума, но понять физический смысл этого процесса пока не удалось.
Тем не менее, существуют две теории, пытающиеся объяснить квантовую гравитацию. Одна из них, называемая теорией струн, считается одной из самых перспективных кандидатов на роль теории всего, а вторая, называемая теорией петлевой квантовой гравитации, пытается только представить квантовое описание гравитационного взаимодействия.
В теории струн предполагается, что частицы представляют собой микроскопические «струны», которые по причине их малого размера и похожи на точки [3]. Теория струн позволяет описать гравитон, то есть частицу, являющуюся переносчиком гравитационного взаимодействия. Это позволяет взглянуть по-новому на теорию квантовой гравитации, но, к сожалению, нет никаких экспериментальных подтверждений данной теории.
Согласно же теории петлевой квантовой гравитации пространственно-временной континуум разделен на небольшие кусочки, состоящие из множества объединенных между собой петельками точек. Сплетение этих петелек объясняет гравитацию, однако этой теории присуща та же самая проблема, что и теории струн - нет никаких экспериментальных подтверждений.
Однако все вышеперечисленное является исключительно перспективными теориями. Но открытые в сентябре прошлого года гравитационное волны - это огромный практический шаг в описании квантовой гравитации. Эти волны, предсказанные еще Альбертом Эйнштейном, позволяют понять природу гравитационного взаимодействия. Следующий шаг заключается в нахождении частицы, переносящей данное взаимодействие. Если она будет найдена, то будет построена настоящая теория квантовой гравитации, что будем очень большим шагом на пути к единой теории природы.
Таким образом, проблемы открытия квантовой гравитации является насущной. Ее решение изменит наш взгляд на окружающий мир и приблизит к созданию, кажущейся пока недостижимой, теории всего, объединив целых четыре фундаментальных взаимодействия.
Литература
1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов. / Т.И. Трофимова. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 560 с.
2. Волошина, В.Н. Единые физические процессы (творение мира). / В.Н. Волошина, С.И. Гордеев. - Владивосток, 2009. - 155 с.
3. Будет ли у нас когда-нибудь "теория всего"? // Hi-News.ru. URL: http://hi-news.ru/science/budet-li-u-nas-kogda-nibud-teoriya-vsego.html (дата обращения: 25.06.2016).
4. Смолин, Ли. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует. / Ли Смолин. - Лондон: Издательство «Penguin Book», 2007.
5. Липкин А.И. Миф об особой роли сознания наблюдателя в квантовой механике. // А.И. Липкин. М.: МФТИ. - Электронный ресурс. URL: https://mipt.ru/education/chair/philosophy/publications/ works/lipkin/philsci/a_3vzyrl.php (дата обращения: 25.06.2016).
6. Иванов, М.Г. Как понимать квантовую механику. / М.Г. Иванов - М. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2012. - 516 с.
