Одной из главных задач современной науки является так называемое объединение физики. Или, как еще иногда говорят, создание теории всего. Дело в том, что некоторые разделы физики плохо согласуются друг с другом. Когда мы начинаем применять формулы теории относительности в масштабе элементарных частиц внезапно оказывается, что они не работают. Для описания поведения частиц на таком уровне разработан специальный раздел физики — квантовая механика.
Задача разработки теории всего как раз и состоит в том, чтобы примирить между собой квантовую механику и теорию относительности. Создать такую теорию, которая будет одинаково хорошо работать как на микро, так и на макро уровне.
В чем же противоречие?
Собственно противоречие прямо здесь, в этой формуле:
Уравнение Эйнштейна
По сути это уравнение и есть вся общая теория относительности. Левая часть этого равенства представляет геометрию пространства-времени, а правая часть энергию, импульс.
Говоря очень упрощенно значение этого уравнения в том, что пространство-время говорит материи как двигаться, а материя говорит пространству-времени как искривляться.
Общая теория относительности описывает то, как материя искривляет пространство и как кривизна пространства влияет на движение материи. Источник: australiascience.tv
Однако взгляните на T в правой части формулы. У нее есть шляпка. Эта шляпка означает, что это квантовый оператор, так как мы знаем, что материя состоит из квантовых полей. Квантовые операторы работают не так, как простые числа. Так, например, при умножении порядок множителей имеет значение.
Когда Эйнштейн около 100 лет назад впервые записал эту формулу никакой шляпки над T не было. Но это просто потому, что квантовая механика как направление в науке в то время находилась в зачаточном состоянии. Теперь то мы знаем гораздо больше, поэтому Т стало квантовым оператором.
И вот незадача - в левой части формулы никаких значений со шляпкой нет. И поэтому строго говоря уравнение не имеет смысла. Это как сравнивать яблоки и апельсины. Выражение в правой части где находятся числа не может быть приравняна к левой, где находятся квантовые операторы.
С использованием некоторых допущений мы можем все же сделать если заменить в этой формуле квантовые операторы их ожидаемыми (средними) значениями.
Слегка модифицированное уравнение Эйнштейна
И формула в таком виде работает. Очень хорошо работает. Я бы даже сказал слишком хорошо. Гравитация — настолько слабое взаимодействие, а квантовые эффекты настолько незначительны, что в 99% случаев эта формула работает идеально.
Однако нам она все равно не нравится. Потому, что замена квантового оператора ожидаемым значением — это довольно дешевый трюк имеющий мало общего с наукой, хотя и дающий неплохие практические результаты.
Почему же не поставить шляпку где-нибудь слева?
Действительно? Да мы бы с удовольствием, но беда в том, что бы ее там поставить, нам нужно понять как квантуется (и квантуется ли) пространство-время. Если нам удастся это сделать, тогда мы сможем описать гравитацию с помощью операторов квантовой механики.
Попытки визуализировать кванты пространства-времени. Источник: youtube.ocm
Под квантованием пространства-времени понимается нахождение мельчайших частиц составляющих пространство-время. Квантом пространства-времени будет минимально возможный на практике отрезок пространства и минимально возможный интервал времени.
Однако пока мы не знаем как квантуется пространство. Физики-теоретики разработали множество теорий квантовой гравитации (теория струн, петлевая квантовая гравитация и др.), каждая из которых по своему объясняет квантование пространства-времени, однако на текущий момент ни одна из них не прошла экспериментальную проверку.
Таким образом можно сказать, что на текущий момент мы, своего рода в тупике и пока не знаем, как продвинуться дальше полуклассической гравитации. Однако я уверен, что в относительно близком будущем эта проблема будет преодолена и у нас наконец появится Теория Всего.