Дві головні теорії фізики не працюють разом: що таке квантова гравітація

Досі вчені не мають повного розуміння про фізику, що діє в нашому Всесвіті. Для розуміння Всесвіту в малих масштабах у фізиків є теорія квантової механіки. Парадигмою квантової механіки є Стандартна модель фізики елементарних частинок, яка пояснює природу і поведінку багатьох найменших частинок. Але у великих масштабах об'єктами у Всесвіті керує гравітація, яка описана в загальній теорії відносності Ейнштейна. Фізики намагаються об'єднати дві теорії, але поки що цього не вдалося. Відомо, що квантова механіка і загальна теорія відносності несумісні одна з одною. Квантова гравітація є ключем до того, щоб змусити квантовий світ і світ гравітації працювати разом, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Теорія квантової гравітації

Фізикам необхідна теорія квантової гравітації, щоб повністю пояснити нашу реальність, як у найдрібніших масштабах, так і у великих. Для цього потрібно поєднати квантову механіку і гравітацію, але поки що відомо, що вони не можуть працювати разом. Хоча існує багато моделей квантової гравітації, жодна з них поки що не доведена, то фізики впевнені, що квантова гравітація існує.

За допомогою квантової гравітації можна пояснити фізику чорних дір, де закони класичної фізики не працюють, а також фізику, що існувала в перші миті після народження Всесвіту. Також теорія квантової гравітації допоможе розібратися з квантовою заплутаністю і фізикою конденсованого стану.

Чим відрізняється квантова механіка і теорія гравітації?

У квантовій механіці такі значення, як положення, імпульс, енергія і спін, квантуються, тобто вони можуть набувати тільки певних дискретних значень, а не будь-якого значення. Уявіть, що ви малюєте картину за допомогою 64 кольорових олівців. Але ці кольори змішати не можна, тобто всі вони є дискретними. Гравітація є прикладом класичної фізики, де частинки або об'єкти приймають будь-які значення за своїм вибором. Якщо знову повернутися до прикладу з картиною, то в даному випадку кольори можна змішувати і отримувати проміжні відтінки.

Є й інші відмінності між двома теоріями. У квантовій механіці властивості частинок ніколи не є однозначними. Натомість вони описуються хвильовими функціями, які дають лише ймовірне значення. А в загальній теорії відносності, яка описує гравітацію, такої невизначеності не існує.

Стандартна модель фізики елементарних частинок пояснює, як працюють три з чотирьох фундаментальних сил природи: електромагнітна, сильна і слабка взаємодія. Кожна з цих сил переноситься між частинками за допомогою бозонів.

Невідомо, чи є у гравітації частинка, яка також є посередником для її взаємодії з частинками або об'єктами. Гіпотетично така частинка, названа гравітон, може існувати, але її так поки що й не знайшли фізики.

Для пояснення всього Всесвіту потрібна нова теорія

І загальна теорія відносності Ейнштейна, і Стандартна модель фізики елементарних частинок добре працюють окремо. Але фізика виявляється неповною, коли кожна з цих теорій виходить за рамки свого "робочого режиму".

Наприклад, згідно із загальною теорією відносності, частинка світла, тобто фотон, під час переміщення Всесвітом має слідувати класичному шляху, який збігається з викривленням простору-часу під дією гравітації. Але фотон також підпорядковується правилам електромагнітної сили, керованої квантовою механікою, і фізики не знають, як записати закони квантової механіки у викривленому просторі-часі.

Якщо ми хочемо повністю зрозуміти Всесвіт, потрібен спосіб об'єднати несумісні теорії, і квантова гравітація дозволяє це зробити. Деякі фізики намагаються квантувати гравітацію або модифікувати її, щоб вона була сумісна з квантовою механікою. Інші вчені намагаються модифікувати квантову механіку, щоб вона краще узгоджувалася з гравітацією. Таким чином вчені намагаються створити теорію квантової гравітації, але поки що ці спроби не увінчалися успіхом.

Як уже писав Фокус, астрономи виявили найближчу до Землі невловиму чорну діру. Вчені виявили чорну діру проміжної маси, яка у 8200 разів більша за Сонце.

Також Фокус писав про новий експеримент учених, який показав, що квантову фізику не можна пояснити за допомогою класичних теорій.