Kvantinė gravitacija

Sunkumai kuriant

Pagrindinis kvantinės gravitacijos sunkumas yra tai, kad dvi fizikinės teorijos, kurias ji bando sujungti kartu – kvantinė mechanika ir bendroji reliatyvumo teorija – yra grįstos skirtingais principais. Ne paslaptis, kad KM aprašo neįprastus fizikos reiškinius, su kuriais susiduriame, vos tik imame tyrinėti atomus bei juos sudarančias elementariąsias daleles. Bendroji reliatyvumo teorija mus verčia užmiršti atomus ir žvilgsnį nukreipia į nesuskaičiuojamą pavidalų kiekį įgyjantį erdvėlaikį ir Visatos platybėse vyraujančią gravitacijos jėgą. Laikas šioje teorijoje nėra išskirta dimensija: erdvė ir laikas nėra išoriniai objektai, tai nėra „scena“ kurioje vyksta didysis Gamtos vaidinimas. Erdvėlaikis bendroje reliatyvumo teorijoje yra dinaminis kintamasis, priklausantis nuo patalpintų jame klasikinių sistemų. Kvantinė mechanika neatsižvelgia į gravitacijos reiškinius dėl jos nykstamai mažos įtakos. Ji formuluojama kaip fizinių sistemų, pvz., atomų arba elementariųjų dalelių, evoliucija laike, kurioje erdvėlaikis yra išorinis fonas. Todėl pagrindinis kvantinės gravitacijos teorijos tikslas – pasitelkus kvantinius dėsnius, apibūdinti erdvėlaikio prigimtį, kai nagrinėjami patys mažiausi elementariųjų dalelių pasaulio atstumai, ir pabandyti ją paaiškinti fundamentalių sudedamųjų dalių savybėmis.
Situaciją blogina dar tai, kad nežiūrint didelių technikos pergalių, šiuolaikinės technologijos nepajėgios betarpiškai stebėti kvantinės gravitacijos reiškinius. Todėl, nepaisant intensyvių mokslinių tyrimų, kvantinės gravitacijos teorija dar nėra visuotinai priimta. Dėl to terminas „Kvantinė gravitacija“ rodo daugiau atvirą problemą, nei konkrečią teoriją. Šiuo metu yra dvi perspektyvios nagrinėjimo kryptys: stygų teorija ir kilpinė kvantinė gravitacija.

Stygų teorija

Stygų teorijos sukūrimas prieš 40 metų buvo itin daug žadanti pradžia siekiant bendrosios jungtinės teorijos, kuri galėtų paaiškinti viską, sukūrimas, tačiau ši vizija vis dar lieka gana tolima.
Stygų teorija buvo sukurta mėginant sujungti makro ir mikro pasaulių fiziką. Ji pakeičia nulinės dimensijos taškinių elementariųjų dalelių idėją jungiančia vienos dimensijos styga. Šiuo požiūriu styga kaip dalelė yra modelis, kuriuo siekiama paaiškinti arba numatyti tam tikras Visatos savybes.
Stygų lauko teorija
Naujų dalelių skaičiui toliau augant, iškelta stygos idėja buvo bandoma jas visas sujungti, o tai galiausiai atvedė prie stygų lauko idėjos. Toks laukas visas daleles vaizduoja kaip stygos virpėjimus tam tikrais dažniais, visų virpėjimų suma, paprastu būdu sujungiantis visas daleles į vieną.
Stygų lauko teorija yra esminė, mėginant suprasti, kas nutinka, kai tiek kvantinė mechanika, tiek bendroji reliatyvumo teorija pasireiškia išvien ir sąveikauja tarpusavyje. Tai svarbu ten, kur kvantinė gravitacija atlieka svarbų vaidmenį, pavyzdžiui, juodosiose bedugnėse ar pradedant formuotis mūsų Visatai. Abiem atvejais matmenys gali būti maži, ir tai aprašytų kvantinė mechanika, tačiau milžiniškos energijos ir didžiulė masė tuo pačiu metu sukuria nepaprastai stiprius gravitacinius laukus, o juos kol kas galime nagrinėti tik pasitelkdami bendrąją reliatyvumo teoriją.
Viena iš didžiausių stygų lauko teorijos problemų glūdi eksperimentuose, kuriais būtų galima patikrinti prognozes arba įkvėpti naujiems teoriniams išvedžiojimams. Pagal šią teoriją Visata turi 11 dimensijų, 4 iš jų stebime erdvėlaikyje.

Kilpinė kvantinė gravitacija

Išvystyta paskutiniame XX a. dešimtmetyje, „kilpinė gravitacija“ buvo kurta dviem etapais: pradžioje buvo performuluota bendroji reliatyvumo teorija, kad derėtų su klasikine elektromagnetizmo teorija; jos „kilpos“ yra atitikmuo elektriniams ir magnetiniams laukams. Vėliau, įtrauktos naujos procedūros, kurių kai kurios panašios į mazgų matematiką, kvantinius principus pritaikant kilpoms. Tokia kvantinės gravitacijos teorija panaši į erdvėlaikio atomus turinčią teoriją.
Stygų teorija padeda suprasti elementariųjų dalelių sąveikas (įskaitant ir gravitaciją), kai tos sąveikos yra silpnos. Tačiau gimstant Visatai, kai gravitacija buvo labai stipri, priimtinesnė turėtų būti kilpų teorija. Kilpų gravitacija išplečia tą įžvalgą į kvantinį lygmenį. Ji paima mūsų įprastinį elementariųjų dalelių sampratą ir ją pritaiko erdvėlaikio atomams, pateikdama unifikuotą daugelio pagrindinių koncepcijų pateikimą. Pvz., kvantinė elektromagnetizmo teorija aprašo vakuumą kaip esantį kunkuliuojanti virtualių dalelių „foną“ (nuliniai vakuumo svyravimai). Bet koks energijos padidėjimas vakuume sukelia realios dalelės atsiradimą. Kilpinės gravitacijos teorijoje vakuumas yra erdvėlaikio nebuvimas – tokia visiška tuštuma, kokią tik galime įsivaizduoti. Kilpų gravitacija aprašo, kaip kiekvienas energijos padidėjimas vakuume sukuria naujus „erdvėlaikio atomus“.
„Erdvėlaikio atomai“ sudaro tankų, nepastovų tinklą. Dideliais atstumais jų dinamika leidžia vystytis Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija aprašomai Visatai. Kitais atvejais mes niekada nepastebėsime „erdvėlaikio atomų“ egzistavimo; tinklo tankis toks didelis, kad jis atrodo kaip kontinuumas. Tačiau kai erdvėlaikis užpildomas didelio tankio energija (kaip buvo Didžiojo sprogimo metu), grūdėta erdvėlaikio struktūra turi įtaką ir čia kilpinė kvantinė gravitacija iš esmės pradeda skirtis nuo bendrosios reliatyvumo teorijos.