Этот вопрос поступил от одного из наших читателей: «Почему именно подход квантовой механики нужно распространять на гравитацию? Может быть наоборот — подход ОТО распространить на квантовомеханические явления?»
На первый взгляд, такой подход кажется логичным: ведь ОТО прекрасно описывает гравитацию на больших масштабах, а квантовая механика — мир частиц. Почему бы не пойти в обратную сторону и попробовать сформулировать квантовый мир в рамках классической физики, а не наоборот? Однако, если взглянуть глубже, становится ясно, что именно квантовая природа материи требует квантового описания всех взаимодействий, включая гравитацию. Давайте разберёмся, почему попытки подчинить квантовую механику классическим принципам сталкиваются с фундаментальными проблемами и почему, наоборот, квантовая гравитация — логичный шаг к единой теории всего.
1. Универсальность квантовых законов и эксперименты
- Все остальные фундаментальные взаимодействия описываются квантованными полями.
Электромагнитное, сильное, слабое взаимодействия — это квантовые теории полей (КТП), проверенные с потрясающей точностью (вплоть до 10^(-12) в некоторых экспериментах). Квантовая механика и КТП стали фундаментальным «языком», на котором описывается микромир. - Экспериментальные подтверждения квантовых эффектов материи.
Существует огромное количество экспериментов (например, двойная щель, эффекты запутанности, сверхточные тесты КЭД и т. д.), которые убедительно доказывают, что природа на малых масштабах квантова. Материю мы не можем считать классической: она в суперпозициях, подвержена эффектам неразрывности вероятностей и т.д. - Если материя квантова, то и порождённое ею поле гравитации не может быть чисто классическим.
Представьте себе тяжёлую частицу в квантовой суперпозиции (например, ионы или большие молекулы, как в экспериментах по демонстрации волновых свойств «больших» объектов). Если гравитация была бы строго классической, то возникает вопрос: какой именно «классический» гравитационный потенциал будет порождать система, которая сама находится в квантовой суперпозиции? На уровне принципов (симметрия, причинность, согласованность с принципами КТП) это ведёт к противоречиям.
Таким образом, уже одним фактом, что всё остальное мы описываем квантово, оправдана идея о необходимости квантовать и гравитацию, по крайней мере, в тех режимах, где проявляется её динамическая природа (большие энергии, малые расстояния).
2. Проблемы при чисто «классическом» подходе к гравитации
- Взаимодействие классической гравитации с квантовой материей
Попытка «не квантовать» гравитацию, но при этом описывать все частицы квантованными полями и взаимодействие с классическим метрическим тензором (как внешнее поле) наталкивается на вопросы о сохранении энергии-импульса на квантовом уровне. Грубо говоря, если есть квантовая энергия-импульс материи, то само гравитационное поле, согласно общему взгляду, тоже должно иметь флуктуации энергии, чтобы сохранять общую консистентность теории. - Сингулярности, чёрные дыры и Планковские масштабы
При коллапсе в чёрные дыры или в ранней Вселенной (близко к Большому Взрыву) — гравитационное поле достигает таких экстремальных значений, что классическая теория (ОТО) предсказывает либо сингулярности, либо требует «подпорок» в виде квантовых поправок полей материи. Но полагаться только на квантовые поправки материи без квантования самой гравитации — непоследовательно. Внутри или на горизонте чёрных дыр, а также при энергиях порядка Планковской (10^19 ГэВ) квантовые эффекты поля гравитации, по всей видимости, неизбежны. - Несочетаемость классики и квантовой принципиально
Общая теория относительности в её исходном виде — классическая. Там метрика есть динамическое поле, которое распространяет влияние гравитации. Но квантовая суперпозиция состояний материи автоматически должна «тянуть» за собой суперпозицию состояний полей, с которыми эта материя взаимодействует (это ключевой постулат КТП). Классический же подход заставляет «выбирать» одну из метрик, что противоречит квантовой суперпозиции.
3. Философская сторона: можно ли было бы «квантовать ОТО» наоборот?
Иногда формулируют вопрос так: «Почему бы не сделать наоборот: взять ОТО за основу и каким-то образом представить квантовую механику в классических терминах, то есть вписать её в рамки классической геометрической теории?»
- Классическая „геометризация“ квантовых эффектов противоречит эксперименту
За последнее столетие квантовая механика и квантовые поля настолько хорошо себя показали в экспериментах, что попытка «уместить» их в чисто классические рамки (без суперпозиций, без волновых функций и операторов и т. п.) практически невозможна без утраты того, что даёт феноменальную точность в описаниях явлений. - Нужно сохранить квантовые принципы
Самые базовые постулаты квантовой механики (принцип суперпозиции, операторы наблюдаемых, вероятность через модуля квадрат волновой функции и т.д.) — это структура, протестированная во множестве экспериментов. Если бы мы пытались «вписать» её в классическую ОТО, пришлось бы кардинально пересмотреть всю парадигму взаимодействия, отказываться от линейности уравнений Шрёдингера (или Дирака) или как-то менять её до неузнаваемости. Но тогда мы потеряли бы фундаментальную экспериментально подтверждённую базу квантового описания. - Гравитация в квантовом виде пока не опровергнута
У нас нет экспериментов, которые бы говорили: «Гравитация принципиально не может быть квантовой». Напротив, логика единства физических законов и примеры из других взаимодействий говорят, что скорее всего гравитация также должна иметь квантовый характер, по крайней мере на высоких энергиях, коротких дистанциях или в экстремальных состояниях (рождение чёрных дыр, сингулярности и т.д.).
4. Современные попытки квантовать гравитацию
Сегодня есть несколько основных подходов к квантованию гравитации:
- Струнная теория (Superstring theory), где гравитон появляется как возбуждение открытых/замкнутых струн и где квантование поля гравитации естественно заложено в структуру теории.
- Петлевая квантовая гравитация (Loop quantum gravity), где пытаются напрямую квантовать геометрию пространства-времени, представляя метрику и связи в виде «спиновых сеток» и подобных структур.
- Асимптотическая безопасность (Asymptotic Safety) — подход, включающий как пертурбативные, так и непертурбативные методы, который пытается показать, что в ультрафиолетовом пределе (на очень высоких энергиях) теория гравитации может оставаться предсказуемой и конечной, благодаря существованию асимптотически безопасной фиксированной точки. В этом смысле гравитация становится «ренормализуемой», но не в стандартном пертурбативном смысле, а благодаря особой структуре взаимодействий на малых масштабах.
- Разные эффективные теории поля для гравитации на низких энергиях с учётом квантовых поправок.
Все эти подходы, при всём разнообразии, имеют одну общую черту: они исходят из квантовой природы остального мира и пытаются встроить гравитацию в эту квантовую структуру. А не наоборот.
Вопрос о квантовой гравитации остаётся одной из самых глубоких и нерешённых проблем современной физики. Мы разобрали, почему именно квантовый подход применяется к гравитации, а не наоборот, и какие трудности возникают при попытке сделать гравитацию классической в мире, где все остальные взаимодействия подчиняются законам квантовой механики. Современные теории, такие как теория струн, петлевая квантовая гравитация и эффективные подходы, продолжают искать путь к объединению этих двух великих идей.
Наука движется вперёд благодаря любопытству, смелым вопросам и нестандартным взглядам.
Поэтому не бойтесь задавать вопросы, выдвигайте свои идеи и делитесь своими размышлениями! Возможно, именно ваш вопрос станет основой для следующего обсуждения.
📌 Подписывайтесь на канал, ставьте лайки и пишите в комментариях, какие темы вам интересны.
Давайте вместе разбираться в самых сложных и увлекательных загадках Вселенной! 🚀✨