Петлевая квантовая гравитация

В конце XX века группа физиков-теоретиков разработала теорию, описывающую пространство-время как квантовый феномен. Наряду с теорией струн теория петлевой квантовой гравитации пытается примирить квантовую механику с гравитацией.

В современной физике есть две теории, невероятно точно описывающие крупномасштабные явления и то, что происходит в микромире: Общая теория относительности и Стандартная модель квантовой механики соответственно. Но насколько бы точной и удивительной каждая из этих двух теорий ни была, они не очень хорошо сотрудничают друг с другом.

Сам Альберт Эйнштейн — автор Общей теории относительности — до конца жизни был занят работой над теорией, которая объединила бы квантовую механику и гравитацию. Как известно, у него ничего не вышло. Многие современные физики-теоретики — от Шона Кэрролла до Брайана Грина — считают, что разработка тестируемой, фальсифицируемой и доказуемой теории квантовой гравитации откроет новые горизонты для науки и поможет ответить на множество вопросов: например, что происходит за горизонтом событий черных дыр?

Среди множества подходов к квантовой гравитации самым успешными направлениями считаются теория струн и петлевая квантовая гравитация. Если о теории струн знают и о ней говорят, то ее главный конкурент — петлевая квантовая гравитация — пока не получил такой широкой огласки.

Ли Смолин / ©️ Karol Jarolchowski/Polityka

Петлевая квантовая гравитация представляет собой теорию, пытающуюся выразить современную теорию гравитации (то есть Общую теорию относительности, ОТО) в квантованном формате. Подход этой теории заключается в восприятии пространства-времени как чего-то разбитого на дискретные части. Немало ученых рассматривают петлевую квантовую гравитацию как самую органично разработанную, не считая теории струн.

Как появилась теория петлевой квантовой гравитации

Принято считать, что петлевая квантовая гравитация берет начало в 1986 году, когда Абэй Аштекар разработал квантовую формулировку уравнений поля Общей теории относительности. В 1988-м физики Ли Смолин и Карло Ровелли расширили этот подход — и в 1990 году показали, что при помощи него гравитация квантуется и это можно увидеть при помощи спиновых сетей Роджера Пенроуза.

Карло Ровелли на лекции в Риме / ©️ Marco Tambara/Wikipedia

Вкратце: подход к петлевой квантовой гравитации через спиновую сеть показывает пространство-время как набор частей, соединенных друг с другом. Это можно представить в виде точек (или узлов), представляющих части пространства-времени, соединенные линиями. Иначе говоря, пространство-время можно рассматривать как сеть квантовых узлов. Гладкая структура пространства-времени, описываемая ОТО, становится такой, когда вы «отдаляетесь» от квантовых масштабов до достаточно крупных.

К чему приводит петлевая квантовая гравитация

Как и со всей теоретической физикой, исследующей этот вопрос, физика и математика на этом уровне невероятно сложны. Относительно ценности петлевой квантовой гравитации ведется немало споров, особенно если сравнивать ее с другими подходами — вроде той же теории струн.

Петлевая квантовая гравитация достигла успеха в следующем:

Квантование трехмерной пространственной геометрии ОТО;

2. Возможность вычислить энтропию черных дыр;

3. Предсказание Большого отскока в момент Большого взрыва вместо бесконечной сингулярности.

Энтропия черной дыры в петлевой квантовой гравитации / ©️ John Baez

Однако пока что это успехи в области математической физики, так как экспериментально они еще не были подтверждены. А в случае с Большим отскоком — об экспериментальных подтверждениях не может быть и речи.

Предсказание, связанное с энтропией черных дыр, считается самым большим достижением теории. Считается, что петлевая квантовая гравитация предоставляет точный способ описания квантовых состояний черной дыры, а также совпадает с предсказаниями об энтропии черных дыр, сделанными Стивеном Хокингом и другими физиками в 1970-х.

Абэй Аштекар во время лекции / ©️ University of Pittsburg

Преимущества петлевой квантовой гравитации

В пользу петлевой квантовой гравитации есть серьезный аргумент. Дело в том, что ее сторонники рассматривают ее как конечную теорию. Другими словами, сама теория петлевой квантовой гравитации не допускает бесконечностей. Один из главных ее исследователей Ли Смолин в своей книге «Неприятности с физикой» описывает конечность теории тремя пунктами:

Области и объемы в петлевой квантовой гравитации — всегда конечные дискретные единицы;В модели петлевой квантовой гравитации Бэрретта — Крейна (пространство-время как квантовая пена) вероятности развития квантовой гравитации в разные истории всегда конечны;Включение гравитации в теорию петлевой квантовой гравитации с теорией вещества — вроде Стандартной модели — не содержит бесконечных выражений. Если гравитацию исключить, придется потрудиться, чтобы избежать их.Проблемы петлевой квантовой гравитации

Многие недостатки петлевой квантовой гравитации — те же, что и у теории струн. Их предсказания чаще всего связаны с явлениями, которые пока что нельзя протестировать (хотя по части петлевой квантовой гравитации возможность испытать ее экспериментально представляется несколько более вероятной, чем в случае с теорией струн).

Кроме того, не понятно, можно ли утверждать, что петлевая квантовая гравитация более фальсифицируема, чем теория струн. Например, открытие суперсимметрии или дополнительных измерений не станет опровержением петлевой квантовой гравитации, как и их отсутствие не докажет ошибочность теории струн.

Кванты пространства в представлении Карло Ровелли / ©️ Carlo Rovelli/Class.Quant.Grav. 28 (2011)

Самая большая проблема петлевой квантовой гравитации заключается в том, что этой теории еще предстоит показать, каким образом можно взять квантованное пространство и извлечь из него гладкое пространство-время. К тому же некоторые критики теории считают сам способ добавления времени в спиновую сеть надуманным.

Квантовая теория пространства-времени в петлевой квантовой гравитации, по сути, — квантовая теория пространства. Спиновая сеть, описанная теорией, не способна включить в себя время.

Некоторые ученые, занимающиеся этой теорией, вроде того же Ли Смолина, считают, что время в итоге станет необходимым и фундаментальным компонентом теории. В то же время Карло Ровелли уверен, что она в итоге покажет, что времени как такового не существует и что, по сути, это возникающий феномен.

Остается запастись терпением и ждать

Некоторые физики-теоретики, включая Брайана Грина и Ли Смолина, высказывали предположение о том, что петлевая квантовая гравитация и теория струн окажутся двумя способами описания одной и той же фундаментальной физической структуры. Ученые надеются, что исследование двух этих областей в итоге поможет разработать более полную фундаментальную теорию, описывающую основополагающую квантовую теорию, которая, в свою очередь, приведет к успешной единой теории поля, способной полностью примирить ОТО со Стандартной моделью квантовой механики.