Kwantowa grawitacja

Z Wikipedii

Kwantowa grawitacja - to grawitacja objęta współczesnym spojrzeniem z wykorzystaniem teorii kwantowej.

Jest to nowoczesny sposób określania współczesnej grawitacji w przestrzeni wielowymiarowej, będący hipotetycznym modelem oddziaływań grawitacyjnych w bardzo małych skalach przestrzennych, gdzie dominują zjawiska kwantowe. Model opisany poniżej, opierający się na teorii superstrun (10, 11 lub 26 wymiarów), jest jedną z wielu prób opisania grawitacji, szczególnie popularną z powodów głównie estetycznych.

Kwantowa grawitacja jest jednym z obszarów fizyki teoretycznej, próbującym połączyć teorię mechaniki kwantowej, opisującej trzy z podstawowych sił natury (oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne), z teorią czwartego oddziaływania - grawitacji. Niektórzy chcą, by stała się jednolitym opisem wszystkich tych sił - teorią wszystkiego.

Duża część problemów w połączeniu tych teorii wywodzi się z radykalnie odmiennych założeń, jakie każda z nich czyni wobec sposobu funkcjonowania wszechświata. Kwantowa teoria pola opiera się na polach cząsteczkowych, umieszczonych w płaskiej czasoprzestrzeni szczególnej teorii względności, natomiast ogólna teoria względności modeluje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni, które zmienia się wraz z poruszaniem się masy. Najbardziej oczywiste sposoby ich połączenia (takie jak traktowanie grawitacji jako jeszcze jednego pola cząsteczkowego), szybko napotykają na coś, co nazywamy problemem renormalizacji. Cząsteczki grawitacji przyciągałyby się nawzajem, a sumowanie wszystkich interakcji prowadzi do uzyskania wielu nieskończonych wartości, których przy pomocy aparatu matematycznego nie da się łatwo zniwelować, w celu uzyskania sensownych, skończonych wyników. Kontrastuje to wyraźnie z elektrodynamiką kwantową, gdzie współzależności dają czasem w wyniku wartości nieskończone, lecz jest ich wystarczająco mało, by dało się je usunąć przy użyciu renormalizacji.

Zarówno mechanika kwantowa jak i ogólna teoria względności odnoszą duże sukcesy. Niestety, energie i warunki, przy których efekty kwantowo-grawitacyjne mogłyby się ujawnić, są niedostępne dla współczesnych eksperymentów laboratoryjnych (Patrz: LHC). Stąd nie istnieją żadne obserwacje eksperymentalne, wskazujące jak można by połączyć te teorie.

Zasadnicze podejście przy konstruowaniu teorii kwantowej grawitacji to założenie, że teoria powinna być prosta i elegancka, i przeglądanie istniejących teorii w poszukiwaniu symetrii i wskazówek, co do tego, jak połączyć je elegancko w jedną, nadrzędną teorię. Jeden z problemów takiego podejścia to fakt, że nie ma pewności, czy kwantowa grawitacja będzie prosta i elegancka.

Problemy, w których zrozumieniu miałaby pomagać ta teoria, zawierają połączenie wielkich mas lub energii z bardzo małymi wymiarami przestrzennymi, na przykład zachowanie się czarnych dziur czy pochodzenie wszechświata.

[edytuj] Perspektywa historyczna

Dotychczas występowały dwa sposoby reakcji na wyraźną niespójność teorii kwantowych z koniecznością niezależności od tła w ogólnej teorii względności.

Pierwszy to przyjęcie, że geometryczna interpretacja ogólnej teorii względności nie jest cechą pierwotną, tylko pewnym objawem teorii zależnej od tła. Tak stwierdza na przykład Steven Weinberg w swoim podręczniku Grawitacja i kosmologia.

Przeciwny pogląd mówi, że niezależność od tła jest fundamentalna, a mechanikę kwantową trzeba uogólnić na przypadki, kiedy nie istnieje a priori zdefiniowany czas. Geometryczny punkt widzenia jest przedstawiony w książce Gravitation (autorzy: Charles Misner, John Archibald Wheeler i Kip Thorne)

Obie książki, pisane przez gigantów fizyki teoretycznej i wyrażające całkowicie przeciwstawne spojrzenie na znaczenie grawitacji, zostały wydane niemal jednocześnie na początku lat siedemdziesiątych XX wieku. Przyczyną tego był impas, który między innymi doprowadził Richarda Feynamana (który sam również czynił ważkie próby mające prowadzić do zrozumienia grawitacji kwantowej), do napisania w desperacji: Przypomnij mi, żebym nigdy już nie jeździł na konferencje dotyczące grawitacji w liście do żony we wczesnych latach sześćdziesiątych XX wieku.

Znaczący postęp obu podejść doprowadził (stan na rok 2004) do powstania teorii strun z jednej i pętlowej kwantowej grawitacji z drugiej strony.