В области физики элементарных частиц существует множество захватывающих концепций и теорий, которые позволяют нам глубже понять устройство нашей Вселенной. Одной из таких теорий является Стандартная модель, объединяющая в себе понимание основных фундаментальных сил, таких как электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия, а также поле Хиггса. Стандартная модель стала результатом десятилетних исследований и экспериментов и сегодня считается одной из самых успешных теорий в физике элементарных частиц.
Однако, несмотря на свои достижения, Стандартная модель не дает ответов на все вопросы. Например, она не объясняет одну из самых фундаментальных сил Вселенной – гравитацию. Гравитация – это сила, которая, как мы знаем, объединяет все воедино, однако в рамках Стандартной модели она остается неизученной.
Матвей Петрович Бронштейн (1906 – 1938) был советским физиком-теоретиком и одним из пионеров квантовой гравитации. Он сделал важный вклад в развитие квантовой теории поля и гравитации, предложив идеи, которые впоследствии стали основой для разработки теории квантовой гравитации.
Однако стоит отметить, что Бронштейн был репрессирован и расстрелян в 1938 году в возрасте 31 года в рамках сталинских репрессий, и его работы были забыты на долгое время. Его вклад в физику стал широко признан только после его смерти.
Казалось бы, гравитация – это нечто, с чем мы сталкиваемся каждый день, и что должно быть хорошо исследовано. Но на самом деле, в масштабах атомного ядра, гравитация проявляется крайне слабо по сравнению с другими силами. Если мы рассмотрим силу гравитации в сравнении с сильным и слабым ядерными взаимодействиями, то она оказывается в сотни тысяч раз слабее. Эта разница настолько велика, что её даже сложно представить.
Однако, несмотря на такую слабость гравитации в квантовом мире, мы не можем сказать, что она не существует. Если бы мы опирались только на данные, полученные в ходе экспериментов в области физики элементарных частиц, то мы бы даже не подозревали о существовании гравитации.
Но мы видим проявления гравитации в масштабах всей галактики, таких как Млечный Путь, и даже кластеров галактик. Там гравитация действует так, как это было предсказано Исааком Ньютоном более 350 лет назад. Поэтому, когда мы говорим о гравитации, мы должны рассматривать её в разных масштабах, чтобы полностью понять её природу и влияние на наш мир.
Когда мы рассматриваем гравитацию в микромире, её влияние, несмотря на слабость, остается актуальным. Исходя из того, что нашей лучшей теорией гравитации на сегодняшний день является теория общей относительности Эйнштейна, логичным шагом будет применение этой теории к субатомному миру.
Для наглядности представим ситуацию, когда электрон "вращается" вокруг ядра. В соответствии с теорией общей относительности, электрон будет терять энергию из-за излучения гравитационных волн, что приведет к его спиральному падению в протон. Это предсказание аналогично тому, что было сделано с использованием классического электромагнетизма и что в итоге привело к созданию квантовой механики.
Таким образом, существуют предпосылки полагать, что гравитация также должна иметь квантовую природу. Это подтверждается тем, что существует квантовая теория для других фундаментальных сил, и тем, что общая теория относительности является классической теорией. Таким образом, квантовая гравитация представляет собой некое недостающее звено в понимании природы микромира.
Если мы принимаем концепцию квантовой гравитации, то это предполагает существование частицы под названием гравитон, аналогично тому как квантовая теория электромагнетизма предсказывает существование фотона. Этот гравитон должен быть основным "кирпичиком" гравитационного поля, аналогично тому, как фотон является квантовым носителем электромагнитного поля.
На текущий момент мы ещё не наблюдали гравитоны, и поэтому наша вера в их существование опирается исключительно на теорию. Для того чтобы гравитон соответствовал теориям гравитации Ньютона и Эйнштейна, он должен обладать определёнными свойствами. Гравитон должен быть безмассовым, чтобы обеспечить бесконечный радиус действия гравитации. Кроме того, чтобы быть исключительно притягивающей силой, у гравитона должен быть квантово-механический спин 2, что отличает его от спина электрона (1/2) и спина фотона (1). Также гравитон должен быть электрически нейтральным.
Вероятность создания гравитона в эксперименте по физике элементарных частиц практически равна нулю, даже с использованием ускорителей, которые могут быть построены в будущем.
Тем не менее, существует маленькая возможность, что мы сможем обнаружить гравитоны в ближайшем будущем, если Вселенная окажется значительно отличной от того, какой мы её воспринимаем на данный момент. Если во Вселенной существуют дополнительные малые измерения помимо трёх привычных, то возможно мы найдём гравитоны, и даже массивные гравитоны.
Было предложено несколько теорий квантовой гравитации, которые до сих пор остаются возможными вариантами.
Одной из таких теорий является теория суперструн, которая предполагает, что самые маленькие строительные блоки материи - это очень маленькие струны. Эта теория была очень популярной на протяжении многих лет, хотя на неё также была высказана критика за отсутствие проверяемых предсказаний.
Ещё одной интересной теорией является петлевая квантовая гравитация. Эта теория предполагает, что существует минимальный квант пространства и времени, что является довольно странной идеей. Это означает, что, в отличие от обычных размеров, когда вы можете разрезать объект длиной в метр на два объекта длиной в полметра, в этой теории, когда вы достигнете определённого размера, вы буквально больше не сможете делать объекты меньше.
Физические размеры наименьшего пространства и времени, о которых идет речь в теории петлевой квантовой гравитации, слишком малы, чтобы их можно было проверить в лабораторных экспериментах по физике элементарных частиц. Тем не менее, возможно, они могут иметь некоторые проверяемые последствия при наблюдениях за очень далекими астрономическими объектами. Пока нет никаких доказательств, подтверждающих эти идеи, и исследования по этому вопросу еще продолжаются.
Если идея квантовой гравитации окажется верной, это изменит наше представление о таких явлениях, как сингулярности в центре черных дыр и состояние вселенной непосредственно перед Большим Взрывом. Согласно современным представлениям физики, перед Большим Взрывом вся материя Вселенной существовала в одной точке с нулевым размером.
Аналогично, в центре черной дыры вся масса звезды, из которой она образовалась, сжата до нулевого размера. Эти точки, где сосредоточена огромная масса, называются сингулярностями. Сингулярности - это явления, которые вызывают множество вопросов и проблем в современной физике, и квантовая гравитация может предложить новые ответы и решения для этих вопросов.
Таким образом, когда материя сжимается в крошечные объемы, гравитация становится все более значимой и начинает доминировать, а значит, теория квантовой гравитации становится наиболее актуальной. Квантовая гравитация защищает от сингулярности и предотвращает возникновение точек с бесконечной плотностью и нулевыми размерами.
Это означает, что мы не сможем полностью понять процессы, происходящие в центре черных дыр или в начале Вселенной, пока не разработаем теорию, которая объединит гравитацию и квантовую механику. Такая теория позволит нам более полно описать явления на космическом уровне, и, возможно, ответит на многие вопросы, которые остаются неясными в современной физике.
Если вас интересуют тайны Вселенной, подписывайтесь на наш канал, чтобы узнавать больше об удивительном мире науки. Не забудьте также поставить лайк и поделиться этой статьей с друзьями. Спасибо за внимание!
