Притяжение имеет другую природу
Согласно общей теории относительности, изменения гравитационного поля распространяются в космосе в виде гравитационных волн, которые принципиально трехмерны и не могут быть сведены к меньшему числу измерений: они распространяются в одном направлении и ритмично растягивают объекты в двух перпендикулярных направлениях (на верхнем рисунке). Они не могут распространяться в двух измерениях (нижний рисунок). Без волн физики оказались в затруднении по поводу того, как квантовать гравитацию.
Мертворожденные звезды
Если взять трехмерное пространство и сплющить его до двух измерений, то материя не просто станет намного тоньше. Сила гравитации будет вести себя принципиально иным образом. Изучение гравитации в двумерном пространстве дало физикам полезный опыт и подсказало, как объединить эйнштейновскую теорию гравитации (общей теории относительности) с квантовой механикой для построения квантовой теории гравитации.
КАК ГРАВИТАЦИЯ ДЕЙСТВУЕТ В ДВУХ ИЗМЕРЕНИЯХ
Идея отбросить одно измерение имеет интересную историю. В романе Эдвина Эбботта (Edwin Abbott) «Флатландия: небылица о многих измерениях», появивишемся в 1884 г. (см.: Эбботт Э., Бюргер Д. Флатландия. Сферландия. М.: Мир, 1976), рассказывается о приключениях Квадрата, обитателя двумерного мира треугольников, квадратов и прочих геометрических фигур. Хотя Эбботт написал этот роман как сатирическую пародию на викторианское общество во Флатландии существует строгая иерархия с линиями-женщинами у основания классовой пирамиды и кругами-жрецами на вершине, Флатландия вызвала всплеск интереса к геометрии в пространствах с различным числом измерений и по сей день остается популярной у математиков и физиков. Ученые, пытающиеся охватить разумом мир большого числа измерений, начинают с того, что пробуют представить, как выглядел бы наш трехмерный мир глазами Квадрата. Флатландия помимо всего прочего вдохновила физиков, занимающихся изучением таких материалов, как графен, который, собственно, и представляет собой двумерную структуру (см.: Гейм А., Ким Ф. Углерод страна чудес // ВМН, 7, 2008).
Возможно, самый неординарный подход пренебречь целым пространственным измерением и посмотреть, как будет работать гравитация в случае двумерной Вселенной. (Формально физики описывают данную ситуацию как «(2+1)-мерное пространство», имея в виду два пространственных измерения и время). Принципы, которые управляют гравитацией в такой упрощенной Вселенной, возможно, применимы и к нашей трехмерной, что дает нам столь необходимый ключ к теории объединения.
Физики обнаружили, что на самом деле все не так однозначно. Гравитационные волны не могут бежать по континууму, но Вселенная может трансформироваться как единое целое. Базирующаяся на этих результатах квантовая теория гравитации дает ответы на множество загадок Великого объединения например, как время может возникнуть из физики без времени.
Сначала они ожидали, что двумерная теория гравитации окажется тривиальной. Втиснутая в пространство с уменьшенным на единицу числом измерений, гравитация должна была бы стать настолько ограниченной, что гравитационные волны не имели бы возможности там распространяться, так что о квантовой гравитации не могло бы идти и речи.
Зайдя в тупик при попытке объединить квантовую механику с эйнштейновской общей теорией относительности, физики обратились к упрощенной версии задачи: представили, что пространство имеет лишь два измерения, и задались вопросом, как в этом случае будет вести себя гравитация.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Приприте физика к стенке, задав ему какой-нибудь каверзный вопрос, и в ответ вы получите: «Спросите что-нибудь попроще». Физики продвигаются вперед, выстраивая простые модели, включающие отдельные компоненты сложного реального мира. Ученые работали над множеством таких моделей квантовой гравитации, включая приближения, верные при слабой гравитации, или специальные случаи, такие как черные дыры.
Сегодня недостающее звено в этом поиске объединение теории гравитации и квантовой механики. Эйнштейновская теория гравитации, его общая теория относительности, описывает рождение Вселенной, орбиты планет и падение яблока Ньютона. Квантовая механика описывает атомы и молекулы, электроны и кварки, фундаментальные субатомные силы и еще многое другое. Однако теории оказываются несовместимыми, когда необходимо использовать их обе там, где сильны и гравитационные, и квантовые эффекты, например в черных дырах. Самые успешные попытки физиков объединить их в квантовую теорию гравитации потерпели фиаско. Полученные с ее помощью ответы порой не имели смысла. Или их вообще не было. Несмотря на 80 лет работы нескольких поколений физиков, включая десяток или около того нобелевских лауреатов, квантовая теория гравитации остается неуловимой.
Представьте себе, что мир не трехмерен, а двумерен. Какой в этом случае была бы сила гравитации? Неожиданные ответы на этот вопрос указывают физикам путь к единой теории природы. С момента своего становления как науки физика занимается поиском единства в природе. Исаак Ньютон показал, что та же сила, которая заставляет падать яблоко, удерживает планеты на их орбитах. Джеймс Клерк Максвелл объединил теории электричества, магнетизма и оптики в единую теорию электромагнетизма. Спустя столетие физики добавили к ней слабые ядерные силы и создали теорию электрослабого взаимодействия. Альберт Эйнштейн соединил пространство и время в единый континуум пространства-времени.
Квантовая гравитация во Флатландии
Автоматически входить при каждом посещении
Квантовая гравитация во Флатландии
Комментариев нет:
Отправить комментарий