Я в виде хобби в свободное время занимаюсь разработкой теории квантовой гравитации, и в данной статье хотел бы представить описание теории квантовой гравитации, разработкой которой занимаюсь уже почти три года. Описание будет без формул, хотя у меня в статье, которую я пишу для научного физического журнала сотни формул. Попытался описать очень кратко и максимально понятно что за теорию квантовой гравитации я разрабатываю...
В конце статьи будет ссылка на препринт теории.
Гравитация без кривых пространств
...популярный путеводитель по «масштабной» квантовой гравитации
Идея проста: вместо того чтобы гнуть само пространство, гравитация перенастраивает «линейки» и «часы» частиц. Этой перенастройки хватает, чтобы объяснить свет вблизи Солнца, орбиты звёзд у чёрных дыр и даже подсказать новое о тёмной материи и тёмной энергии.
О чём эта теория — в одном абзаце
Мы предлагаем равноправную альтернативу привычной картине: фон можно считать плоским, а гравитация действует через две универсальные «ручки»:
- масштаб — эффективный «размер» частиц и волн;
- внутренние часы — темп протекания процессов.
В слабых полях ручки почти не трогаются; рядом с массивными объектами они заметно сдвинуты. Вся феноменология — от линзирования до красного смещения — получается из того, как эти ручки зависят от места и ситуации.
Почему это не трюк со словами
В физике важны наблюдаемые результаты. Можно сказать: «пространство искривлено», — а можно: «изменились линейки и часы». Если обе картины совпадают в проверенных эффектах, они — два языка об одном и том же. Наш плюс: мы остаёмся в привычной логике квантовой теории полей, где удобнее говорить о частицах и их свойствах.
Кванты пространства: как устроена сцена
Чтобы описать экстремальные режимы (горизонты, раннюю Вселенную) без бесконечностей, мы представляем пространство не как бесшовный ковёр, а как мозайки из квантов. Каждый квант — как замысловатая «петля» с двумя аспектами:
- реальная часть — составляют наш привычный трёхмерный мир, имеет очень и очень маленький размер;
- мнимая часть — скрытый объём, который тонко пересекается с реальными частями абсолютно всех квантов пространства во вселенной.
Зачем это нужно?
Когда частица в сильном поле (рядом с сингулярностью чёрной дыры) «раздувается» (её масштаб растёт), лишний «объём» не давит сингулярности — он уходит в мнимую часть. Но влияние этой «скрытой» части возвращается в реальный мир через пересечения квантов. Так мы избежали разрушительных бесконечностей и одновременно получили естественный канал для «тёмных» эффектов: дополнительная гравитация без новых видов материи. Размер каждого кванта в данном случае равен размеру вселенной.
А вообще возможна ли замена кривизны пространства на кривизну частиц?
Давайте проведём небольшую аналогию, сравнив оба подхода (кривизна пространства и кривизна частиц) к описанию гравитации. Представьте себе картину: у вас есть два шарика, которые параллельно летят например к Чёрной дыре. Допустим расстояние между этими шариками один метр.
1) Если рассуждать о гравитации с точки зрения кривизны пространства, то при приближении к Чёрной дыре будет искривляться само пространство, и его как бы будет становиться больше, то есть пространства тем больше, чем ближе мы будем находиться к чёрной дыре, и со временем расстояние между этими шариками будет 2 метра, 3 метра, километр, миллион километров... Хотя летят они параллельно.
2) Теперь давайте порассуждаем о той же ситуации с точки зрения кривизны частиц, где гравитация у нас влияет не на кривизну пространства, а на масштаб самой частицы.
При приближении к Чёрной дыре размер каждой частички будет уменьшаться, а следовательно и размер самого шарика, состоящего из этих частиц будет уменьшаться. Если мы разместим между шариками линейку длиной один метр, то при приближении к Чёрной дыре размер каждой частички в этой линейке тоже будет уменьшаться, то есть будет уменьшаться сама линейка. Со временем между нашими шариками будет помещаться 2 таких линейки, затем 3, затем 1000 линеек (1000 линеек по метру = километр), затем миллиард таких линеек (миллиард линеек по метру = миллион километров). Хотя и в этой ситуации шарики летят параллельно.
Заметили сходства?..
Вывод: Хотя показанная картина и описана утрированно, но вы можете увидеть, что мы применили два совершенно разных подхода для описания одного и того же процесса. То есть и тот и тот подход являются приемлемыми способами для попытки описания гравитации. Следовательно мы не видим глубоких противоречий, чтобы попробывать описать квантовую гравитацию, используя вместо кривизны пространства изменения размеров частиц.
Чёрные дыры «по-новому»
- Снаружи горизонта событий на расстоянии нескольких десятков радиусов Шварцшильда масштаб частиц чуть сжимается, а внутренние часы волнового пакета частицы чуть замедляются.
- Рядом с горизонтом событий масштаб частиц сжимается существенно, внутренние часы сильно замедляются.
- На горизонте масштаб частиц как бы обращается в ноль, часы «застывают» — это и есть граница, где всё выглядит предельно медленным.
- Внутри масштаб частиц растёт, часы идут в противоположном отношении к внешнему миру (не машина времени, а иная хронометка процессов). Это не время идёт назад, а волновые процессы у частицы получают обратную эволюцию, хотя в самой вселенной стрела времени продолжает идти вперёд.
- Очень близко к сингулярности избыточный масштаб частиц уходит в мнимую часть квантов пространства. Благодаря этому информация и энергия не обязаны «теряться»: они могут возвращаться опосредованно через те же пересечения в виде квантового туннелирования при испарении чёрной дыры.
- Сингулярность у нас точечная, но не бесконечная, и вращается по очень малому кольцу. Чем быстрее вращается сингулярность, тем меньший избыточный масштаб частиц уходит в мнимую часть квантов пространства. Если бы сингулярность не вращалась, то размер всех частиц при движении к сингулярности в чёрной дыре очень быстро бы увеличился почти до бесконечности и черная дыра мгновенно испарилась бы.
Свет, линзирование и красное смещение — «оптика гравитации»
Свет вблизи массивных тел ведёт себя как в среде с изменяющимся показателем преломления.
Отсюда:
- гравитационное линзирование — лучи изгибаются именно на тот угол, что давно измерен у Солнца;
- гравитационное красное смещение — «часы» у источника идут медленнее, свет приходит «расстроенным» к красному;
- дополнительная задержка сигналов — радиоволны и фотонные импульсы проходят путь чуть дольше.
Все эти эффекты совпадают с тем, что проверено десятилетиями экспериментов.
Что с гравитационными волнами
В классической картине — это «ряби» самой геометрии. У нас — волны масштабного поля, которые бегут по мнимым частям квантов пространства и через границы возбуждают знакомый сигнал в реальном мире. Детекторы уже уверенно видят две «крестовые» поляризации; наша теория допускает ещё очень слабую «дыхательную». Ещё одна тонкая подпись — слегка более быстрое затухание «звонка» чёрных дыр после слияний. Эти детали измеримы будущими установками.
Тёмная материя и тёмная энергия — откуда «тёмное»
Тёмная материя.
Когда масштаб частиц внутри чёрных дыр рядом с сингулярностью уходит в мнимую часть квантов пространства, его гравитационное влияние возвращается в реальный мир через пересечения квантов. Так как при приближении к сингулярности размер частицы в мнимой области квантов пространства может вырасти до неимовернейших размеров, многократно превышающих размер галактики Млечный путь, то в галактических масштабах это даёт распределённое «тёмное» притяжение, похожее на наблюдаемое гало тёмной материи. Никаких новых частиц мы не требуем — «тёмное» рождается из организации пространства и поведения масштаба частиц. Такая «тёмная материя» по некоторым параметрам даже больше подходит на роль главного кандидата объяснения тёмной недостающей массы чем представленная в ΛCDM модели.
Тёмная энергия.
Причины расширения вселенной в нашей теории немного отличаются от общепринятых в настоящее время в ΛCDM модели. Вселенная прирастает «реальным» объёмом за счёт рождения новых квантов и перекрытий их мнимых частей с реальными. То есть при появлении нового кванта пространства вселенная увеличивается на объём реальной части этого кванта (очень маленький), плюс мнимая часть нового кванта пространства пересекает реальные части всех квантов пространства вселенной, немного увеличивая размер этих реальных частей квантов пространства, и именно это и даёт значительный прирост объёма пространства. Эффект похож на космологическую постоянную — мягкое «антигравитационное» давление, — но допускает очень медленную эволюцию во времени. Это даёт конкретные космологические тесты.
У нас Лямбда состоит из двух частей:
1) Лямбда гравитационная как у Эйнштейна, которая даёт замедляемое со временем расширение вселенной.
2) Лямбда рождения новых квантов и увеличения размеров реальных частей квантов пространства, которая как раз и даёт ускоренное расширение вселенной. Каждый новый квант пространства увеличивает вселенную на объём больший чем появившийся предыдущий новый квант.
Скорость гравитации
В ОТО скорость гравитации равна скорости света, и в нашей теории она тоже равна скорости света. Но так как частицы уменьшаются, а их время замедляется, то ощущаемая этими уменьшенными частицами скорость гравитации будет отличаться от скорости света, и это различие будет тем больше, чем ближе к горизонту событий чёрной дыры мы будем измерять эту скорость. То есть ощущаемая частицами скорость гравитации будет относительной. А очень близко к горизонту событий эта относительная скорость гравитации (ощущаемая частицами) будет в миллиарды раз превышать скорость света и даже стремиться к бесконечности. Внутри же горизонта событий будет несколько иная картина: так как внутри горизонта событий размер частиц начинает расти, то относительная скорость гравитации (ощущаемая частицами) будет падать, и с определенного момента, когда частицы вырастут до определенного размера, она будет меньше скости света и у самой сингулярности будет стремиться к нулю.
Главное: чтобы построить квантовую гравитацию, не нужны новые громоздкие уравнения
Достаточно взять существующие релятивистские уравнения частиц и добавить в них две вещи:
- учёт изменения масштаба частиц (их эффективного размера),
- учёт изменения скорости внутренних часов.
Что это значит на практике — без формул:
- В уравнении для скалярных частиц (то, что описывает «волны вещества») мы позволяем «массе» вести себя так, будто она зависит от места через масштаб.
- В уравнении Дирака (для электронов и других фермионов) эта же идея реализуется аккуратно для спиновых частиц: масштаб влияет на «массовый» блок, а часы — на «темп» динамики.
- В уравнениях Максвелла (для света) меняется «эффективный темп» колебаний электрического и магнитного полей — и свет видит мир как среду с чуть изменённым показателем преломления.
- Аналогично дорабатываются уравнения для безмассовых спиновых частиц, массивных векторных полей и т.д.
Не надо «выдумывать» новую математику: мы берём привычные уравнения и добавляем две универсальные ручки — масштаб и внутренние часы. Этого достаточно, чтобы получить все стандартные слабополевые эффекты, а в экстремальных условиях — тонкие отличия, которые можно искать приборами. Спин гравитона в нашей теории равен 2, а сам гравитон представляет из себя микроволну (солетон) по мнимой части кванта пространства.
Что уже совпадает с классикой, а где искать отличия
Совпадает полностью:
отклонение света у Солнца, задержка радиосигналов, прецессия орбит, эффект «перетаскивания» инерциальных систем около вращающихся масс. Иначе говоря, в Солнечной системе теория ведёт себя как Общая теория относительности — и это принципиально.
Отличия живут там, где поля сильны и точность высока:
- дополнительные крохи в поляризации гравитационных волн;
- чуть иное затухание «звонка» чёрных дыр после слияний;
- микропоправки в движении звёзд, подходящих очень близко к горизонту событий черной дыры, а именно заметные отличия от ОТО в периастрии звёзд у Стрелец А* будут проявляться только у звёзд, подходящих ближе 100 радиусов шварцшильда к Стрелец А*;
- космологические намёки на мягкую эволюцию «темпа расширения» (то, что обычно списывают на тёмную энергию).
Все эти эффекты можно и нужно проверять.
Частые вопросы
Эквивалентность не ломается?
Нет. Масштаб и часы подстраиваются одинаково для любых частиц — «все падают одинаково» сохраняется.
Информация в чёрной дыре пропадает?
Не обязана. Часть состояния уходит в мнимый сектор квантов пространства и может возвращаться через границы квантов. Это реалистичный путь обойти парадокс потери информации.
Нужны ли экзотические частицы?
Нет. Мы добавили только две универсальные «ручки» и топологическую мозаику пространства.
Это «лишь другой язык»?
В привычных условиях — да, и он обязан совпасть с проверенными результатами. Но в экстремумах — появляются свои, проверяемые отличия. Это и делает подход научно плодотворным.
Что можно проверить в ближайшие годы
- Гравитационные волны: поиск очень слабой «дыхательной» поляризации и небольшого избытка затухания после слияний.
- Мультимессенджер: сравнение времени прихода света и гравитационных волн от одних и тех же источников — карта «задержек» по небу. Пример событие слияния двух нейтронных звёзд GW170817.
- Галактический центр: уточнение орбит звёзд у Стрелец A* — охота за микропоправками.
- Космология: тесты на медленную эволюцию «тёмной энергии» по данным сверхновых, реликтового излучения и крупномасштабной структуры.
Вывод
ОТО требует чтобы пространство было гладким и непрерывным, а Квантовая механика(КМ) требует, чтобы пространство было квантованным. В итоге мы квантовали пространство так, что оно получилось гладким и непрерывным, как того требует ОТО, но также оно получилось квантованным, как того требует КМ. ОТО требует чтобы пространство было искривлённым, а КМ требует чтобы пространство было плоским. В итоге мы игрой с масштабом частиц обеспечили такое искривление частиц, которое повторяет искривление, которое требует ОТО, но при этом мы оставили пространство плоским, как того требует КМ. Все довольны, все счастливы.
Итог и метафора
Эта теория не отрицает достижения Эйнштейна — она переносит гравитацию из «гибкой сцены» в настройки инструментов. Представьте оркестр: в классике мы меняем форму зала, чтобы получить нужную акустику. Здесь зал остаётся прежним, но у всех музыкантов чуть подстраиваются инструмент и метроном. Для слушателя большая часть музыки звучит так же, а в тонких обертонах появляется разница, которую можно поймать чувствительными микрофонами — нашими детекторами и телескопами.
Привлекательность подхода в его экономии идей: чтобы собрать квантовую гравитацию, не требуются новые громоздкие конструкции — достаточно добавить в уже знакомые релятивистские уравнения учёт масштаба и темпа внутренних часов. Всё остальное — дело наблюдений.
Эта статья опубликована на preprints.ru