Квантовая гравитация

Принято считать, что мы даже в теории не сможем описать события, происходившие до планковского времени, пока не разработаем квантовую теорию гравитации, которая вместит в себя все преимущества как квантовой механики, так и общей теории относительности. В настоящий момент квантовая теория поля включает специальную теорию относительности, но не общую.

Первые шаги в квантовой гравитации, сделанные Ричардом Фейнманом и другими в 1950-е, следовали образцу весьма удачной квантовой электродинамики. На место фотона со спином 1, который является носителем электромагнитного взаимодействия, был предложен безмассовый гравитон со спином 2, который должен был выполнять функцию носителя гравитационного взаимодействия между двумя массами.

Но этот математический аппарат просто не сработал, требуя других подходов, которым еще предстоит принести плоды^{326}. Большая их часть сильно зависит от суперсимметрии и может рассыпаться в прах, если суперсимметрия не подтвердится на БАК. В их числе теория струн, на которой практически целое поколение физиков-теоретиков построило собственную научную карьеру.

Гравитация определенно совсем не похожа на две остальные силы. Вы часто можете услышать даже от именитых физиков: «Гравитация в 10^м раз слабее электрических сил». Но это число представляет собой всего лишь отношение сил взаимодействий между протоном и электроном и не во всех случаях верно. Если вместо них вы возьмете две частицы с теми же электрическими зарядами, но с массами, равными, скажем, планковскои массе (величине более естественной, чем масса протона или электрона), то гравитация окажется в 137 раз сильнее, чем электрическая сила! Просто не существует никакого способа определить абсолютную силу гравитации так же, как это возможно для других взаимодействий.

Однако я могу предложить простое объяснение тому, что гравитация в масштабе элементарных частиц настолько слаба по сравнению с электромагнетизмом. Их собственные массы малы, они рождаются с нулевой массой и приобретают небольшую массу благодаря хиггсовскому механизму, описанному в главе 11. Я объясню это более подробно в главе 16.

Также следует вспомнить, что в общей теории относительности Эйнштейна явление гравитации происходит из кривизны пространства и в уравнениях не участвует никакая явная гравитационная сила. В данной модели Земля находится на орбите вокруг Солнца не потому, что сила гравитации Солнца притягивает ее посредством обмена гравитонами или чем бы то ни было, — она просто следует естественному пути, которому должна следовать в отсутствие всяких сил, — геодезической линии через пространство-время, которая как раз закругляется вокруг Солнца. Позже было высказано предположение, что гравитация может быть описана как «производное» явление, которое вытекает из стремления систем двигаться в сторону большей энтропии (см. обсуждение производности в главе 5)^{327}.

Даже если бы у нас была квантовая теория гравитации, похоже, что у нас не было бы возможности проверить ее предсказания в планковском состоянии, в котором она предположительно применима. Тем не менее квантовая гравитация вполне может иметь измеримые эффекты. Например, на расстояниях, близких к планковским, пространство-время должно быть «бугристым», то есть вместо гладкого континуума мы должны увидеть знаменитую квантовую пену, предложенную Джоном Уилером в 1955 году^{328}.

Как ни удивительно, оказывается, что эта пенистость, в принципе, обнаружима. Вспомните пассаж о гамма-всплесках в главе 13. Они происходят в далеких галактиках, на расстоянии миллиардов световых лет, и излучают фотоны высоких энергий. Считается, что это происходит в результате столкновения двух нейтронных звезд. Эти фотоны могут взаимодействовать с квантовой пеной и задерживаться на пути к Земле. Данный эффект можно наблюдать, если измерить время прибытия двух или более фотонов, которые были испущены одновременно в одном всплеске.

Используя данные о гамма-всплесках, полученные космическим гамма-телескопом Ферми, астроном Роберт Немирофф и его соавторы сравнили время прибытия гамма-фотонов разных энергий, излученных из одного источника. В случае гамма-всплеска GRB 090510, зарегистрированного в мае 2009 года на расстоянии 7 млрд. световых лет от нас, прибытие трех фотонов было зафиксировано в пределах 1 мс^{329}. Этот результат накладывает ограничения на размер пузырьков пространственно-временной пены — в 525 раз меньше планковской длины. Хотя результат требует независимого подтверждения, похоже, что пространство-время в наблюдаемой Вселенной гладко.

Может возникнуть вопрос, как это значение согласуется с утверждением, которое я высказал в главе 6, что никакое расстояние меньше планковской длины нельзя измерить. Ответ имеет отношение к разнице между теорией и экспериментом, которую я раз за разом подчеркиваю в этой книге. Реально было измерено вовсе не расстояние короче планковской длины. Тем не менее измеренное значение было включено в теоретическую модель, в результате предсказавшую ограничение на размер пузырьков, которые должны быть значительно меньше планковской длины. Но само это число существует только в рамках модели, а не в прямом наблюдении.