כבידה קוונטית

כבידה קוונטית הוא תחום תאורטי בפיזיקה השואף לתת תיאור אחיד בעזרת תורת השדות הקוונטית, תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים. היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים הן שתי פרדיגמות אשר זו לצד זו מתארות את היקום (בצורה המקיפה ביותר הידועה לנו כיום) על כל היבטיו הפיזיקליים הידועים, כאשר כל אחת משתיהן דנה בתחום אחר של המציאות: תורת היחסות הכללית דנה בתהליכים ובהשפעות מקרוסקופיות ביקום, דוגמת כוח הכבידה. היא מנוסחת בעזרת פורמליזם שמשתמש בגאומטריה דיפרנציאלית, על מנת לתאר את ההשפעה של כבידה על המרחב-זמן. בגבול של מהירויות קטנות וכבידה חלשה (מסות קטנות או מרחקים גדולים), היא מתלכדת עם התורה הניוטונית. הקוסמולוגיה מגייסת את היחסות הכללית לתיאור הדינמיקה של היקום בכללותו. מכניקת הקוונטים דנה בעולם המיקרוסקופי: בהתנהגות אטומים, מולקולות, ובשילוב עם תורת היחסות הפרטית גם בהתנהגות חלקיקים קטנים יותר כגון קווארקים. התאוריה העדכנית שצמחה מתוך מכניקת הקוונטים מכונה המודל הסטנדרטי, והיא נחשבת בעיני רבים כתאוריה המדעית המוצלחת ביותר בהיסטוריה מבחינת התאמה לתוצאות נסיוניות. ישנם ארבעה כוחות היסודיים הידועים בטבע: הכוח הגרעיני החזק - האחראי על שלמות גרעיני אטומים (גרעין האטום מורכב בין היתר מפרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי אשר דוחה את הפרוטונים זה מזה, ועם זאת הגרעין לא מתפרק), ואף על שלמותם של מרכיבי הגרעין עצמם, הפרוטונים והנייטרונים, שמורכבים מקווארקים. הכוח הגרעיני החלש - האחראי על החלפת הזהות של החלקיקים האלמנטריים ובכלל זה, בעקיפין, על חלק מתופעות הרדיואקטיביות (התפרקות הגרעינים של אטומים). הכוח האלקטרומגנטי - האחראי על שלמות האטומים, על תגובות כימיות ועל קרינה אלקטרומגנטית כגון אור וגלי רדיו. כבידה - האחראית על היווצרות כוכבים וגלקסיות, על עיצוב מבנה היקום ועל הדינמיקה של התפשטותו. הכוח הגרעיני החלש והחזק מתוארים בעזרת מכניקת הקוונטים, בעוד כבידה מתוארת בעזרת תורת היחסות הכללית. למכניקת הקוונטים ישנו תיאור קוונטי של הכוח האלקטרומגנטי שנקרא אלקטרודינמיקה קוונטית, בעוד שלתורת היחסות הכללית משתמשת בתיאור הקלאסי שמבוסס על משוואות מקסוול. בעבר נעשו ניסיונות רבים לשלב בין תורת הקוונטים לתורת היחסות הכללית ואולם כל הניסיונות הללו (למעט תורת המיתרים והפורמליזם האופרטורי הקווריאנטי) נתקלו בקשיים רבים. תורת המיתרים היא דוגמה לתורת כבידה קוונטית. היא טוענת ליקום סופר-סימטרי בעל ממד זמן ועשרה ממדי מרחב, וביקום כזה היא אכן משלבת בין שתי התורות, אלא שהיא עקבית רק אם אכן המרחב-זמן כולל את אחד-עשר הממדים האמורים. כמו כן טוענת תורת המיתרים כי לכל החלקיקים האלמנטריים בעלי ספין חצי שלם יש שותף על תואם בעל ספין שלם (סופר-סימטריה). עד עתה לא נתגלו ממצאים התומכים בהנחות יסוד אלו. כבידה קוונטית לולאתית היא עוד דוגמה לתורת כבידה קוונטית. לפי תורת הקוונטים כל מצב פיזיקלי יכול להיות סופרפוזיציה של מספר מצבים בסיסיים. בתורת היחסות, ככל תורה קלאסית (כלומר, לא קוואנטית), הדבר אינו אפשרי. סתירה זו נפתרת על ידי הצגת חלקיקים קוונטיים שמצייתים לחוקים דומים לחוקים שקובעת התורה הקלאסית - פרוצדורה שנקראת קוונטיזציה של התורה הקלאסית. במכניקת הקוונטים חלקיק יכול להימצא במספר מקומות בו זמנית, אך מדידה של מיקומו תגרום לו להימצא במקום אחד בלבד מרגע המדידה ואילך (תופעה הקרויה קריסה של פונקציית הגל של החלקיק). לפיכך, אם נמדוד אם החלקיק נמצא במקום אחד, נשפיע מיידית על השאלה אם הוא נמצא במקום אחר, שעשוי להיות מרוחק ממנו. לעומת זאת, בתורת היחסות הפרטית כל השפעה יכולה להתקדם לכל היותר במהירות האור, ולכן לא ניתן להשפיע ממקום אחד מיידית על מקום אחר. פרדוקס דומה לכך קרוי פרדוקס EPR. סתירה זו נפתרת על ידי הצגתה של תורת השדות הקוונטית. בתורת השדות הקוונטית, כל כוח פיזיקלי מתווך באמצעות חלקיקים ייחודיים. למשל, הכוח החשמלי והכוח המגנטי (שיחד קרויים הכוח האלקטרומגנטי) פועלים בין אלקטרונים על ידי החלפתם של פוטונים, ואומרים שהפוטונים נושאים כוחות אלה. אם רוצים להכניס את תורת היחסות הכללית למסגרתה של תורת השדות הקוונטית, יש להניח שקיימים חלקיקים הנושאים את כוח הכבידה, שבו עוסקת תורת היחסות הכללית. חלקיקים אלה קרויים גרביטונים. עקרון נוסף של תורת השדות הקוונטית הוא שכל חלקיק נע בין שתי נקודות בסופרפוזיציה של כל המסלולים האפשריים, ושל כל התהליכים האפשריים שיכולים לקרות לו בדרך. כלומר, כל התהליכים הללו קורים, במובן מסוים, במקביל. בפרט, כאשר זוג אלקטרונים, למשל, נעים זה לצד זה, אחד המסלולים שיש לקחת בחשבון הוא מסלול שבו הם עוברים קרוב מאוד זה לזה. במצב כזה, יש להם סיכוי גבוה מאוד להחליף ביניהם פוטונים רבים (שנושאים את הכוח החשמלי והמגנטי), ולכן לכאורה תמיד יפעל ביניהם כוח גדול מאוד (למעשה, אינסופי) - שכן תמיד באחד המסלולים האפשריים הם יחליפו ביניהם כמות עצומה של פוטונים. מובן שדבר זה אינו קורה בטבע: הכוחות בין אלקטרונים הם מוגבלים, ובמצבים מסוימים הם חלשים. בפועל, ניתן להבין מדוע מצב זה לא קורה בטבע, אם מניחים שתכונות האלקטרון משתנות כאשר מתקרבים אליו מאוד, כך שכששני האלקטרונים יתקרבו מאוד זה לזה, הם למעשה לא יחליפו ביניהם מספר כה גדול של פוטונים. תיקון זה נקרא רנורמליזציה. ואולם, לא ניתן לבצע רנורמליזציה שתתחשב באינטראקציה עם גרביטונים - על כך אומרים, שהכבידה אינה רנורמזבילית. מכאן נובע, שלא ניתן להכניס את תורת היחסות הכללית למסגרתה של תורת השדות הקוונטית. ההסבר המקובל הוא טכני, אך להלן עיקרו ניתן בצורה אינטואיטיבית. לפי עקרון אי הוודאות, כאשר מיקומו של חלקיק מוגדר ברמת דיוק גבוהה (החלקיק "מרוכז" באזור קטן) - התנע שלו גדול, ומכאן שמהירותו גבוהה. לפי תורת היחסות הפרטית, במצב כזה לחלקיק יש מסה גדולה. כדי ששני חלקיקים יתקרבו מאוד זה לזה, מיקומם חייב להיות מוגדר בדיוק גבוה, ולכן במצב כזה גם המסה שלהם גדולה. כיוון שכוח הכבידה של גוף עולה ככל שמסת הגוף גדולה, נובע שבמצב כזה כוח הכבידה בין החלקיקים יהיה גדול במיוחד. כלומר, הם יחליפו ביניהם גרביטונים רבים. משום כך אי אפשר להניח שכאשר מתקרבים לאלקטרון (או לכל חלקיק אחר) הוא יפלוט פחות גרביטונים מהצפוי - ההפך הוא הנכון: כדי להתקרב לאלקטרון המיקום שלו חייב להיות מוגדר בדיוק גבוה, ולפיכך המסה שלו חייבת להיות גדולה והוא יפלוט יותר גרביטונים מהצפוי. ידוע היום כי היקום מתרחב והולך, ולכן בהסתכלות לאחור היקום הולך וקטן, בשלב מסוים היקום היה כל כך קטן עד אשר תורת הקוונטים שלטה בו. אך היום היקום גדול מאוד ותורת היחסות היא זו השולטת בו. אם כן, הייתה נקודה בזמן שבה שתי התאוריות שלטו בעולם ולכן היה עליהן להתיישב יחד. בנוסף לכך, חורים שחורים, הגופים המסיבים ביותר ביקום מצייתים לבטח לתורת היחסות, אך גודלם של החורים השחורים מחייב אותם לציית גם לתורת הקוונטים. לבסוף, תאוריה מתמטית שמתארת את הטבע חייבת להיות קונסיסטנטית, כלומר נטולת סתירות פנימיות. כיום אין תאוריה אשר הוכחה מדעית כנכונה המיישבת את שתי התאוריות זו עם זו. חייבים לציין שגם כיום ישנם עדיין תחומים רבים בפיזיקה שדורשים מחקר יסודי מעמיק, ובעיות יסודיות (כמו האצת התפשטות היקום) שלא יושבו בכפיפה אחת עם התאוריות הידועות לנו מפיזיקה מודרנית. בהקשר למיזוג בין התורה הקוונטית ליחסות הכללית, ישנו ניסיון ליישוב הנקרא תורת המיתרים, אך תורה זו מייצרת ניבויים כמותיים בסדרי גודל אחרים לגמרי מהידוע לנו ניסויית. ערך מורחב – תורת המיתרים בעוד שתורת הקוונטים מניחה שכל חלקיק הוא נקודתי, תורת המיתרים מגדירה גודל המינימלי אפשרי לחלקיק (אולי מסדר גודל של אורך פלאנק), ובכך היא פותרת את בעיית הרנורמזביליות. שכן אם לחלקיקים יש גודל מינימלי, אזי יש גבול למידה שבה הם יכולים להתקרב זה לזה (קצותיהם יכולים להיצמד, אבל תמיד יהיו חלקים בכל חלקיק שיהיו רחוקים יותר מהחלקיק השני). לפיכך, גם במסלולים בהם שני חלקיקים עוברים קרוב מאוד אחד לשני, הכוח ביניהם יהיה מוגבל. הערה: תורת המיתרים מוגדרת באופן פורמלי כתורת כבידה קוונטית בשני ממדים, כלומר תורת שדות קוונטית בשני ממדים (ממדי יריעת העולם) שכן כוללת בתוכה את תורת היחסות הכללית. ואולם, בשני ממדים תורת היחסות הכללית אינה כוללת כוח כבידה (אין גרביטונים), ולכן לא נוצרות הסתירות הרגילות בינה לתורת הקוונטים. עובדה זו אינה קשורה לפתירת הבעיה בעולם התלת־ממדי שלנו. התאוריה של הכל תורת היחסות הכללית בעיות פתוחות בפיזיקה כבידה מכניקת הקוונטים עקרון אי-הוודאות תורת המיתרים מדיה וקבצים בנושא כבידה קוונטית בוויקישיתוף כבידה קוונטית, דף שער בספרייה הלאומית