Кусочки пространства

Физики разработали несколько вариантов квантовой теории гравитации, каждый из которых по-своему вводил квантовые принципы в теорию относительности. Работа автора была посвящена теории так называемой петлевой квантовой гравитации (или, для краткости, просто петлевой гравитации), которая была развита в 1990-х гг. в два этапа. Прежде всего, теоретики математически переформулировали теорию относительности с целью сделать ее формализм схожим с классической теорией электромагнетизма; давшие свое имя новой теории петли — аналоги линий электромагнитного поля. Далее, следуя некоторым стандартным процедурам (некоторые из них сродни математическому разделу топологии — теории узлов), ученые применили к петлям квантовые принципы. Полученная таким образом квантовая теория гравитации предсказывает существование «атомов» пространства-времени.

Другие подходы, например теория струн и так называемые причинно-динамические разбиения, сами по себе не предсказывают существование таких элементарных «кирпичиков» пространства-времени, но предлагают другие способы объяснения неделимости достаточно малых расстояний. Различия в этих теориях породили полемику, но, по мнению автора, теоретики не столько противоречат один другому, сколько дополняют друг друга. Например, теория струн очень полезна для формирования единого взгляда на взаимодействие частиц, включая гравитацию, в том режиме, когда она не слишком сильна. Но если задаться целью различить, что происходит в сингулярности, в области сильной гравитации, то более пригодными становятся атомарные построения петлевой гравитации.

Мощь теории, изучающей пространство-время, измеряется ее способностью выявлять все изгибы такого пространства-времени. Великим прозрением Эйнштейна было осознание того факта, что пространство-время не является застывшей сценой, на которой разворачивается драма Вселенной. Такая сцена тоже актриса — она не только определяет движение тел во Вселенной, но эволюционирует и сама. Материя, пространство и время взаимодействуют между собой, пространство может расти и сжиматься.

Петлевая гравитация распространяет идею Эйнштейна на квантовый мир. Эта теория пользуется нашим представлением о частицах и веществе и применяет его к элементарным структурам пространства-времени, порождая единый взгляд на базовые концепции физики. Так, квантовая теория электромагнетизма описывает вакуум, лишенный частиц, например фотонов. При увеличении энергии вакуума происходит рождение новой частицы. По аналогии, в квантовой теории гравитации «вакуум» есть отсутствие пространства-времени — совершенное «ничто», которое мы вряд ли можем себе представить. Квантовая гравитация описывает, как увеличение энергии, добавленное к такому «вакууму», порождает новый «атом» пространства-времени.

«Атомы» пространства-времени формируют плотную, постоянно меняющуюся ячеистую сеть. На больших масштабах ее динамика подчиняется законам теории относительности, при обычных условиях мы никогда бы не узнали о существовании подобной атомарной структуры — ячейки настолько малы, что пространство-время выглядит непрерывным. Но если пространство-время обладает энергией, сравнимой с энергией Большого взрыва, структура пространства-времени становится дискретной, и предсказания петлевой гравитации отличаются от предсказаний теории относительности.

ПРОБЛЕМА ТЕОРИИ

Гипотеза о существовании Большого взрыва следует из простого наблюдательного факта: галактики во Вселенной разлетаются друг от друга. Если вы повернете направление их движения назад во времени, то все галактики (или их предшественники), с необходимостью должны были бы сжаться в точку 13,7 млрд лет назад. Фактически, согласно общей теории относительности Эйнштейна, все галактики должны сжаться в единую точку бесконечной плотности — сингулярность Большого взрыва. Но бесконечная плотность не является физической, а раз теория относительности ее предсказывает, то это сигнал к тому, что теория не полна.

Дата добавления: 2015-05-26