#чтиво | В чем конфликт ОТО и квантовой механики?

14 Августа 2013 в 13:00, Илья Хель 9 636 просмотров 33

Космос

Несмотря на наши успехи в описании работы внутренних механизмов вселенной, в наших знаниях зияют некоторые дыры. Где теория великого объединения или общая теория всего? Почему общая теория относительности Эйнштейна противоречит квантовой механике? Почему мы при всем этом хотим их объединить?

Практически все, что мы знаем о физике, можно положить в два тазика. В одном будет квантовая механика, на основе которой мы разработали Стандартную модель, включающую все фундаментальные частицы, которые мы обнаружили, а также три из четырех взаимодействий: электромагнетизм, слабые и сильные ядерные силы.

В другом тазике лежит эйнштейновская общая теория относительности, которая описывает четвертую силу, гравитацию, и дает нам черные дыры, расширение Вселенной и потенциал для путешествий во времени.

Могут эти тазики объединиться в один? Мы частенько говорим о том, что общая теория относительности не работает с квантовой механикой. Недалекие люди вовсе говорят, что «Эйнштейн ошибался» и начинают делать выводы, «а значит, скорость света не максимальна». Почему все так?

Заранее отметим, что пока никто не знает, как именно квантовая механика и общая теория относительности объединятся в теорию «квантовой гравитации». И хотя есть некоторые интересные идеи, о которых мы постараемся рассказать, начнем с того, зачем вообще нужна теория квантовой гравитации.

Два царства

Квантовая механика и теория относительности работают на совершенно разных масштабах. Квантовая механика, например, была неизвестна науке так долго потому, что приобретает важное значение только в атомарных масштабах. Если вы умны, вы можете вообразить, когда квантовая механика управляет судьбой кошки, но это будет пример с большой натяжкой.

Относительность, с другой стороны, становится важной только в сильных гравитационных полях. Время, например, замедляется вблизи поверхности Земли по сравнению со временем далекого космоса; свет искривляется вокруг скоплений галактик. Эти эффекты в значительной степени игнорируются, если только мы не говорим о поверхности нейтронных звезд и тому подобных вещах. Другими словами, общая теория относительности распространяется в пределах космоса и ее эффекты измеряются в соответствующих масштабах — от звезды до всей вселенной.

Тем не менее существуют очень интересные уголки пространства-времени, где ОТО и квантмех сталкиваются.

Черные дыры, как правило, являются отличными астрофизическими лабораториями, в первую очередь потому, что они одновременно малы и обладают мощным гравитационным полем. Первые попытки успешного соединения гравитационных и квантовых эффектов проявились на границах черных дыр в виде знаменитого излучения Хокинга, которое полностью испарит любую черную дыру (за квадриллионы лет) и приведет к неизбежной тепловой смерти Вселенной.

Снаружи у нас все хорошо. Но по мере того, как мы продвигаемся все дальше и дальше в центр черной дыры, у нас все меньше и меньше знаний о том, как работает физика на самом деле.

Сингулярности

Как только вы уроните что-нибудь в черную дыру за горизонт событий, оно не только не сможет выбраться, но и будет неумолимо засосано внутрь. Результатом этого становится то, что в мире с единственным королем — гравитацией — все, что попадает в черную дыру, стягивается в бесконечно малую и бесконечно плотную буквальную точку, так называемую сингулярность. У момента Большого взрыва та же проблема: была невероятно высокая плотность (из-за сильной гравитации), заключенная в очень небольшом пространстве. В тот самый первый момент, как предполагается, бесконечно малом пространстве.

Мы никогда не видели так называемую «голую сингулярность» напрямую (и есть веские основания полагать, что никогда не увидим), что не очень хорошо для понимания этого явления, но достаточно хорошо с точки зрения не быть разорванным под влиянием приливных гравитационных сил.

Из картины общей теории относительности вытекает то, что ядра черных дыр буквально обладают нулевым радиусом, но квантовая механика говорит нечто совершенно иное. В квантовой механике есть «принцип неопределенности», который, ко всему прочему, гласит, что вы никогда не сможете определить точное положение чего-либо. На практике это означает, что даже то, что мы называем «частицами» не может быть сколь угодно малым. Согласно квантовой механике, масса, например, нашего Солнца никогда не сможет быть заключена в область меньшую, чем 10^-73 м.

Бесконечно малую, но не нулевую.

Если бы это было единственное столкновение между квантовой механикой и гравитацией (да многие из вас и так это знали), можно было бы простить людям разочарование от масштаба проблемы. Но самый суровый конфликт между квантмехом и ОТО начинается глубже, чем 10^-73 м.

Классическая и квантовая теории

Общая теория относительности известна как классическая теория поля, которая описывает вселенную как непрерывное распределение цифр — точных цифр, если ваши инструменты достаточно точны, чтобы измерить их, — которые расскажут вам все о кривизне пространства и времени. Кривизы, в свою очередь, полностью описываются распределением и движением массы и энергии. Как говорил Джон Уилер:

«Масса говорит пространству-времени, как искривляться, а пространство-время говорит массе, как двигаться».

Но квантовая теория совершенно другая. В квантовой теории частицы взаимодействуют, посылая между собой частицы. Электричество, например, посылает фотоны между заряженными частицами, сильное взаимодействие задействуют глюоны, а слабое — W- и Z-бозоны.

Нам даже не надо нырять в черную дыру, чтобы увидеть конфликт между классической и квантовой теориями. Рассмотрим знаменитый эксперимент «с двумя щелями». Пучок электронов (или фотонов, или других частиц) пролетает сквозь экран с двумя тонкими щелями на нем. Из-за квантовой неопределенности невозможно предсказать, сквозь какую из щелей пролетит электрон. И он пролетает сразу через две щели. Это похоже на обман, но в контексте гравитации он еще более хитроумный. Если электрон проходит сквозь одну щель, он наверняка создает гравитационное поле, отличное от того, которое возникает при прохождении через другую щель.

Все станет еще более странным, когда вы поймете, что согласно эксперименту Уилера с задержкой выбора, становится возможным настроить эксперимент так, что когда вы уже запустите его, вы сможете ретроспективно наблюдать систему и заставить электрон проходить через одну или другую щель (хоть вы и не можете выбрать, сквозь какую).

Мир гравитации должен быть полностью детерминированным, но квантовая механика — совсем наоборот.

Есть и другая глубокая проблема. В отличие от электричества, которое влияет только на заряженные частицы, гравитация влияет на все. Все формы массы и энергии взаимодействуют с гравитацией и создают гравитационные поля. И в отличие от электричества, не существует негативной массы, которая свела бы на нет положительную.

Мы можем представить квантовую теорию гравитации в принципе. Как и с другими силами, будет частица-посредник под названием гравитон, которая переносила бы сигнал.

Мы могли бы представить меньшие масштабы и увидеть, как все больше и больше виртуальных гравитонов снуют между частицами. Проблема в том, что на меньших масштабах возрастают энергии. Ядро атома требует больше энергии, чтобы разбиться на части, чем снятие электрона с орбиты, например.

На малых масштабах рой высокоэнергетических виртуальных гравитонов будет производить невероятно плотную энергию, и вот тут начнутся проблемы. Гравитация вроде бы должна наблюдать все формы энергии, но здесь мы будем производить бесконечное число высокоэнергетических частиц, которые будут создавать мощное гравитационное поле. Возможно, вы видите, в чем сложность. К концу дня, все вычисления утыкаются в целый букет бесконечностей, витающих вокруг.

В электромагнетизме и других квантовых взаимодействиях вычисления начинают спотыкаться на очень малых масштабах, известных как «планковская длина», примерно 10^-35 м — намного меньше атома. Отдавая дань традиции, отметим, что физики не имеют никакого понятия о том, как работает физика на масштабах меньше планковской длины. На этих масштабах, говорит квантовая механика, могут возникать черные дыры, там царит случайность, и само пространство-время покрывается рябью, когда вы смотрите на него так близко. Там дивный новый мир.

Мы стараемся избежать этих столкновений теорий с помощью процесса, известного как «перенормировка». Перенормировка — это просто забавный способ выражения того, что мы проводим вычисления до определенного масштаба, а потом останавливается. Это позволяет избавиться от бесконечностей в большинстве теорий и спокойной вздохнуть. Поскольку большинство сил включают только различия между двумя энергиями, не имеет особого значения, вычислите вы полное число или нет.

Однако не все так оптимистично смотрели на это. Великий Ричард Фейнман отмечал:

«Игра, в которую мы играем, технически называется «перенормировка». Но каким бы умным словом она не называлась, я считаю, это бредовый процесс. Прибегая к такому фокусу-покусу, мы не можем доказать даже сами себе, что теория квантовой электродинамики математически самодостаточна. Удивительно то, что эта самодостаточность не доказана к настоящему моменту, и я подозреваю, что перенормировка не является математически легитимной»

Опустим эти возражения. Все становится еще хуже, когда мы говорим о гравитации. Дело в том, что поскольку (в отличие от электромагнетизма) гравитация влияет на все частицы, бесконечные энергии будут означать разные кривые. Перенормировка даже в самом лучшем случае не подойдет. Мы не избавимся от бесконечностей.

Что мы знаем?

У нас нет теории квантовой гравитации, но есть некоторые идеи о том, какой должна быть успешная теория. Например, должен быть гравитон, и поскольку гравитация, похоже, распространяется на все пространство, гравитон (как и фотон) должен быть безмассовым. Переносчики массы (как W- и Z-бозоны) действуют только на небольшом расстоянии.

Но и это еще не все. Оказывается, существует единственная связь между классической и квантовой теорией. К примеру, электромагнетизм порождают электрические заряды и токи. Источники математически описываются как векторы, и выясняется, что векторы порождают частицу-посредник со спином 1. Получается, посредники с нечетным спином будут производить силы, которые будут отталкивать одинаковые частицы. И действительно, два электрона отталкиваются друг от друга.

ОТО, с другой стороны, известна как «тензорная теория», потому что в ней есть все виды источников, относящиеся к давлению, расходу и плотности распределения энергии. Квантовые версии тензорной теории будут обладать частицами-посредниками со спином 2. Как вы догадываетесь, у гравитона будет спин 2. И как вы догадались, эти частицы будут притягиваться. Как ни странно, частицы притягиваются гравитационно.

Мы знаем немного о том, какими должны быть гравитоны. Но что делать со всеми этими бесконечностями, никто не знает.

#чтиво | В чем конфликт ОТО и квантовой механики?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

33 комментария

  1. alexsobol

    Люблю интересные статьи про физику и космос

  2. alexsobol

    Чем дальше, чем больше вопросов) мне кажется большого продвижения ту те будет - мы до Луны то не летаем ( не высаживаемся), что уж говорить про звезды и черные дыры. Но рассуждать всегда можно. Хотя мне кажется человеческая логика не может охватить все это своими законами. Может там все работает так, что нам даже в голову это не приходит

    • Z

      Вот это уже слова не мальчика , но мужа.

    • ...

      +1 мы стараемся описывать все процессы с которыми сталкиваемся уже известными нам способами и методами опираясь на накопленный опыт. А вот когда сталкиваемся с чем то новым получается настоящий ступор, и здесь нужны принципиально новые гипотезы и теория.

      • Евгений

        Теория суперструн. Квантовая механика не опирается на повседневный опыт, тут царствует математика, уравнения теории струн чрезвычайно сложны, но ученые продвигаются в направлении их решения. Человек очень умная скотина. Гораздо умнее чем вы думаете.

        • dimonnomid

          Суперструны лишь одна из теорий. А вообще да, от представления 11-мерного мира мозги закипают. С другой стороны возможно наш им и является.

    • dimonnomid

      На луну мы не летаем сугубо потому что незачем. Стоит дорого а смысла нет. Единственное что слышал что собираются там телескоп строить... Вот в этом смысл есть)

      И вообще многие слишком романтично воспринимают космос. Мы не летаем потому что у нас проблемы с радиацией. Пока не придумали достаточно хорошей защиты от космической радиации. Люди будут просто умирать, вот и не летаем далеко... Я говорю о колониях и дальних полётах.

    • MITKA

      Всегда так было и будет, человек на заре своих веков все физические явления объяснял себе волшебством или наличием тех или иных богов, отвечающих за разные явления... Вот так и мы все пытаемся уложить в цифры и формулы, которые сами и придумали. Даже существование Бога, вроде как, посчитали! :)

  3. ОЙ

    много общего между вселенной и мозгом человека ;) почему-то

  4. kalwardin

    Между микро- и макромиром вообще много общего ;-)

  5. баха

    Весь окружающий нас мир состоит из одних и тех же законов физики. То что ученные во главе с чокнутым профессором Хопкинсом выдумывают и преподносят массам - это бред. Физика — это наука о природе в самом общем смысле. Она подчиняется логике и не должна быть надуманной. При объяснении законов физики 4 годовалому ребёнку без всяких уравнений и решений ребёнок должен понять! Зачем исследователь того чего может и не быть? Пусть займутся мучающий детей вопрос откуда берётся молния (к примеру) которую все наблюдают. Или внятно объяснит что такое гравитация (везде только теории), от куда она берётся? Нужны экперементаторы а не фантазеры теоретики.

    • Shaquil O'Neal

      Прошло то время, когда любую теорию сразу же можно было подтвердить экспериментально. Прошло время когда можно было запустить воздушного змея и подтвердить, что молния — есть электрический разряд получающийся из напряженности в высоких слоях атмосферы.
      Сегодня мы можем на один эксперимент сомнительного результата потратить 40 лет и несколько миллиардов долларов, построив кольцо диаметром в несколько городов (БАК).
      Остается только теоритезировать.

      Гравитация — притяжение тел в зависимости от их массы.
      А вот откуда она берется и нужны фантазеры, чтобы хотя бы предположить.
      От предположения в мире ничего не убудет.

      • Archer

        Так уж сложилось, что люди пытались объяснить наблюдаемые явления. Именно от этого появилась наука. Ученые изучали сами явления и процессы. В нормальной науке не принято открещиваться от фактов и отбрасывать неудобные данные.
        Что же мы видим в нынешней науке?
        Есть две глобальные "гипотезы" описывающие микро и макро. Это квантовая механика и ОТО.
        1. Эти гипотезы противоречат друг друга. Пояснения не нужны?
        2. Эти гипотезы противоречат здравому смыслу. Тут могу кратко пояснить:
        - (микро) принцип неопределенности противоречит здравому смыслу.
        - (макро) сложение около световых скоростей дает неверный результат.
        Вывод прост обе эти гипотезы не веры. Их нужно выбросить в урну.
        А что делает наша наука? Она 'прячет голову в песок' и канонизируем обе ошибочные теории.
        Где логика? Где наука? Видны только толстым зады чиновников от науки.
        Остальное профанация для обалванивания масс, то есть нас с вами.

    • 123

      Забавно читать подобного рода комментарии. Сразу видится школьник, которому и учебник открыть невмоготу, он хочет чего "полегче".

      Если чуть более серьезно, то у вас крайне архаичные представления о физике (эдак века 17-18), на данный момент сложность физических теорий крайне высока из-за глубины затрагиваемых ими вопросов, но именно ответы на эти вопросы позволили создать первые модели квантовых компьютеров, а через некоторое время и такие, казалось бы, невозможное вещи, как искусственную гравитацию, двигатели на антиматерии и многое другое.

      Если отойти немного в сторону, то вы, наверное, некоторое время своей жизни проводите в интернете. Сможете объяснить 4-летнему ребенку, например алгоритмы шифрования или сжатия, которыми польетесь, даже не замечая этого? Сложность современных повседневных систем давно превысила объем знаний обычного человека. Сложность передовых научных теорий давно превысила возможность понимания "сходу".

  6. баха

    И не было большого взрыва как и теории Дарвина

    • ...

      Недавно случайно попал на видео с якобы полетом к краю вселенной. Сполна насмешило, искать край вселенной.... И пытаться представить что там.

      • баха

        Я в детстве смотрел на звёзды и представлял где бы могла быть граница всему. И как не странно никогда не мог дойти до края.

    • Alex_1009

      Полностью с вами согласен. И данный эксперимент намекает что эфирный ветер всё-таки есть https://www.youtube.com/watch?v=7T0d7o8X2-E

      • kalwardin

        Реликтовое излучение? Или Вы о том "эфире", что якобы абсолютно упруг и заполняет все пространство? :)

        • Alex_1009

          Я не говорил что эфир абсолютно упруг. Эфирных теорий много, я придерживаюсь Эфиродинамике Ацюковского.

      • баха

        Эфир, тёмная материя, тёмная энергия, общая гравитация - кароче хрен поймёшь. Все стараются свою теорию втулить.

        • Alex_1009

          Теорий много, но верна будет та которая объяснит и докажет как можно больше явлений в природе.

  7. A7p3cc0p

    Илья Хель = Sheldon Cooper? Пиши ещё! 5+

  8. artyfame

    Мы никогда не будем бороздить просторы космоса пока не придумаем новый вид движения. Смотрел недавно передачеу по нешнл географик, дак там показывали чью то телоию толи энштейна толи еще кого не помню чесно, дак вот брали так сказать материю и ложили на нее так называемое тело обычный шар под силой тяжести которого он прогибал эту матерею создавая так сказать яму потом брали маленькие шарики и ложили рядом и они начинали вращаться вокруг этого тела но только не потому что их тело притягивало а потому что оно так сказать исказило пространство и по этому искаженному пространству кружили эти маленькие шарики. Потом показали как берут эту материю на которой все это лежит оноже космическое поространство брали точку А как начальную потом искажали пространство путем обычного сложения двух концов этой материи и получали некую точку Б после того как пространство исказили получалось что точка Б находилась по другую сторону точки А тем самым описывая новый вид движения, намекая на то что если люди хотят летать по галактикам то они должнЫ это делать не так как мы предстовляем себе это тобиш брать и лететь куда глаза глядят а мы должны научиться путем искажения пространства эти галактики как бы двигать вокруг себя. Другими словами не мы должны двигаться, а мы должны двигать пространство вокруг себя. Все это по настоящему интересно, от бы увидеть нечто подобное в живую...

    • Alex_1009

      Вся проблема сегодняшней науки в том, что физика ушла в сплошные математические теории которые не открывают ничего нового. Вы можете мне объяснить, а ещё лучше доказать физически как пространство - пустота может искривлятся. И каков механизм данного явления. В тои то и дело что нет. Теория относительеости - математическая модель состоящая из СТО и ОТО и имеет 10 постулатов причём 1 постулат говорит что эфира нет, а 10 о том что пространство немыслимо без эфира, поскольку ОТО наделяет пространство физическимим свойствами. И все эти чудеса о анизотропности времени, массы, длины вытекают из преобразований Лоренца, который придерживался теории неподвижного эфира. Существуют 3 основные величины пространство, материя, время. И они существуют для всех соразмерностей что для макро и микро мира. И совокупность этих величин есть дижение - энергия. Вот от этого и нужно отталкиваться, а у Эйнштейна время как отдельная мерность которая живёт независимо от других. Будет ли существовать время если к примеру отсановить всю движущуюся материю? В ТО будет, но как тогда это время замерить если время - это мера движения материи.

  9. otolaa

    Спасибо, статья очень хорошая!

    • Аноним

      сомневаюсь - зачем то, вполне ясные проблеммы затуманены эдакой "интеллигентской мягкотелостью".

  10. Макс Ментол

    Статья закончилась неожиданно.

    Кстати, личностям которые против теории большого взрыва - Ваши утверждения о том что этого феномена НЕ было, даже в начальном этапе имеют меньшую силу чем предположение упомянутого сценария... И это не говоря о том что теорию можно усилить расчетами и логическим размышлением, в то время как отрицание имеет всего одну основу - реплику "это бред"...

    • баха

      Теория большого взрыва не имеет под собой логики. Как и не нашли скелет существа который доказывает переход от обезьяны к человеку. Для большого взрыва нету фундаментальных оснований, чтобы создать логическую цепочку. Мы знаем, что была точка и она взорвалась создав пространство и время. Потом появились звезды планеты галактики (материя). Но кто из теоретиков объяснит, что было до этого. Либо то что галактики движутся из-за гравитации, а не из-за всплеска энергии после взрыва.
      Может я не правильно выразился, с просони пищу.

  11. Ashira

    Хорошо,а может быть такое? когда квантовая механика преобразуется в ото, она производит задержку.
    Допустим случилась флуктуация и чтобы дойти до макро мира она производит пространство и время, когда доходит до макро мира, в микро уже все меняется на столько, что следов не найти

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.