Как известно, одна из главных проблем современной физики состоит в невозможности согласовать Общую теорию относительности (ОТО), описывающую гравитационное взаимодействие, с квантовой механикой. Обе теории прекрасно работают в своих областях, но теоретические представления и принципы, лежащие в их основе, настолько разные, что свести их к какой-то единой теории не представляется возможным.
Почему гравитационное поле не квантуется
Проблема в том, что в квантовой механике все поля "квантуются": квантовый мир состоит из волн и частиц, а энергия всегда испускается и поглощается небольшими порциями, квантами. А гравитационное поле, описываемое ОТО, свести к каким-то квантовым частицам (гипотетическим "гравитонам"), ответственным за гравитационное взаимодействие, не получается. Причины этого следующие:
- Отсутствие квантования пространства-времени в ОТО. В общей теории относительности гравитация интерпретируется как искривление пространства-времени, а не как квантованное поле. Пространство-время в ОТО само является динамической переменной, зависящей от характеристик находящихся в нём классических систем. А в квантовой механике пространство-время есть некая "внешняя среда", в которой взаимодействуют квантовые поля и частицы.
- Нелинейность общей теории относительности (ОТО). В отличие от квантовой механики, которая линейна, ОТО — нелинейная теория. Это означает, что эффекты гравитационного взаимодействия не складываются линейно, как в случае с другими силами (например, электромагнетизмом). Например, гравитационное поле от двух точечных масс не равно сумме полей от каждой массы по отдельности.
- Принцип суперпозиции. В электромагнетизме можно представить поле как состоящее из гармонических осцилляторов, и их квантовать. Для гравитации этот метод не работает из-за нарушения принципа суперпозиции.
- Самоэнергия гравитационного поля. Гравитационное поле несёт энергию, и эта энергия сама создаёт дополнительное гравитационное поле. Это усложняет описание и делает гравитацию принципиально отличной от других взаимодействий.
- Технические и математические сложности. Попытка квантовать линеаризованную версию ОТО наталкивается на технические трудности — квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией из-за размерной природы гравитационной постоянной. Даже в случае, когда кривизна пространства-времени фиксирована априори, разработка квантовой теории поля становится сложной задачей.
В результате, несмотря на многолетние усилия, до сих пор не удалось сформулировать последовательную и полную квантовую теорию гравитации, которая бы объединяла квантовую механику и ОТО. И поэтому две главные теории современной физики - квантовая теория поля и ОТО - до сих пор оказываются несовместимыми.
Представление о "физическом поле" в ОТО и в квантовой механике
Остановимся подробнее на первой проблеме. Суть ее в том, что в ОТО и квантовой механике совершенно разное представление о том, что из себя представляет "физическое поле" как некая физическая реальность.
В ОТО пространство-время - это динамическая реальность, которая, подобно жидкости или желе, может деформироваться: изгибаться, сжиматься, скручиваться. И гравитационное поле, согласно ОТО, есть просто результат такой деформации пространства-времени под воздействием массы: масса искривляет окружающее ее пространство-время, и все частицы и тела, которые двигаются вблизи массы по инерции по прямой линии, в таком искривленном пространстве-времени двигаются уже по кривой линии (геодезической), что мы феноменологически наблюдаем как "силу тяжести", действующую на тела со стороны массы.
То есть, согласно ОТО, никакого гравитационного поля - как некой отдельной физической реальности, отличной от пространства-времени - строго говоря, попросту не существует: гравитационное поле есть просто результат деформации самого пространства-времени. Соответственно, для гравитационного взаимодействия между двумя телами или частицами никаких дополнительных частиц - "переносчиков" гравитационного взаимодействия на расстояние - не требуется.
В квантовой механике представление о физическом поле совершенно иное: все поля существуют в пространстве-времени как в некоей внешней среде. А воздействие этих полей на квантовые частицы объясняется не деформацией пространства-времени, а обменом другими квантовыми частицами.
Ну, а если представление о том, что такое "физическое поле" и как происходит взаимодействие частиц с полем, в ОТО и квантовой механике настолько разное, то что же удивляться, что совместить эти две теории на общих принципах не представляется возможным?
Мгновенное воздействие гравитационных сил
Отсюда вытекает еще одно важное отличие в представлениях ОТО и квантовой механике о физическом поле.
В квантовой механике любое поле распространяется в вакууме (в пространстве-времени) со скоростью света. В самом деле, ведь переносчиками любого взаимодействия в квантовой механике являются все те же квантовые частицы, а поскольку они не могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света, то и любое взаимодействие полей также не может превышать скорость света.
Гравитационное поле "работает" совершенно иначе: гравитационное взаимодействие осуществляется мгновенно. Физики не очень любят об этом говорить, но это так.
Так, например, при движении Земли вокруг Солнца перемещение Солнца в пространстве Земля "чувствует" мгновенно.
Точно так же при движении, например, Сатурна вокруг Солнца Земля мгновенно "чувствует" эти перемещения Сатурна и гравитационное воздействие на нее Сатурна.
Однако никакого нарушения принципа ограничения скорости всякого взаимодействия скоростью света при этом, конечно, не происходит. Мгновенность гравитационного взаимодействия Земли с Солнцем или Сатурном объясняется природой самого гравитационного поля: Солнце, Сатурн и сама Земля своей массой деформируют окружающее их пространство, и Земля движется в пространстве, уже деформированном Солнцем или Сатурном. То есть Земля "чувствует" не Солнце или Сатурн (и их перемещения) - она просто движется по инерции в деформированном пространстве, и "чувствует" она это деформированное пространство.
А как же гравитационные волны? ОТО предсказывается существование гравитационных волн, которые распространяются со скоростью света. И не так давно такие гравитационные волны вроде бы даже зарегистрировали.
Но такие гравитационные волны возникают только при резком изменении массы какого-либо тела - например, при слиянии двух черных дыр. После чего гравитационные волны, подобно ряби на поверхности воды, распространяются вокруг со скоростью света, а затем затухают. То есть гравитационные волны ни в коем случае не являются "переносчиками" гравитационного взаимодействия - "переносчиком" гравитационного взаимодействия является само пространство-время, деформированное вокруг массивного тела.
"Мгновенное взаимодействие" квантовых частиц
Однако и в квантовом мире есть одно загадочное явление, в котором происходит похожее "мгновенное взаимодействие" частиц. Я имею в виду, конечно, явление квантовой запутанности.
Квантовая запутанность - это явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа частиц оказываются взаимозависимыми. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы её спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.
Так вот, как оказалось, такая взаимозависимость между запутанными частицами сохраняется, даже если они разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. И на каком бы огромном расстоянии друг от друга ни находились запутанные частицы, измерение параметра одной частицы сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) прекращением запутанного состояния другой.
Физики до сих пор не могут внятно объяснить это явление - ведь в нем явно нарушается "принцип локальности", согласно которому на объект влияет только его непосредственное окружение. Но факт налицо: запутанные частицы каким-то образом "чувствуют" друг друга, даже если их разнести на огромное расстояние, так что изменение состояния одной частицы мгновенно приводит к изменению состояния другой.
Как же такое может быть? Если не впадать в мистику и в какие-то совсем уж экзотические теории, то, очевидно, связь между запутанными частицами продолжает сохраняться даже на огромном расстоянии. Так же, как и в случае гравитационного взаимодействия двух массивных тел. И такая связь между запутанными частицами не может осуществляться за счет обмена между ними какими-то частицами или распространения между ними какого-то поля со скоростью света.
И поэтому вполне логично предположить, что эта связь между запутанными частицами, как и в случае гравитационного взаимодействия, осуществляется за счет самого пространства-времени - то есть какой-то его деформации. Эта деформация, конечно, отличается от того искривления пространства-времени, которое возникает при гравитационном взаимодействии под воздействием массы, но именно эта деформация и позволяет запутанным частицам "чувствовать" друг друга даже на огромном расстоянии.
Когда Ньютон в 1689 году сформулировал свой "закон всемирного тяготения" и тем самым объяснил движение планет вокруг Солнца, другие физики спрашивали его, как он объясняет такое "чудовищное дальнодействие" этой "силы тяготения" сквозь космическую пустоту. Ньютон отказывался отвечать на этот вопрос: "Я гипотез не измышляю!" - отвечал Ньютон.
Спустя 200 с лишним лет, в 1915 году, Эйнштейн все-таки дал объяснение этому "чудовищному дальнодействию" гравитационных сил. И это объяснение не нарушало принцип локальности. Однако когда позднее появилась квантовая механика, и стало ясно (сначала - в качестве "мысленного эксперимента"), что запутанные квантовые частицы каким-то образом должны "чувствовать" друг друга даже на огромных расстояниях, Эйнштейн в своем письме Нильсу Бору в 1947 году назвал явление квантовой запутанности "жутким дальнодействием", нарушающим принцип локальности.
Но что, если это "жуткое дальнодействие" квантовой запутанности имеет ту же природу, что и "чудовищное дальнодействие" гравитационных сил? То есть объясняется некоей деформацией самого пространства-времени, благодаря которой запутанные частицы оказываются связанными между собой даже на огромных расстояниях?
Продолжение: