У нас есть два описания Вселенной, которые прекрасно работают: общая теория относительности и квантовая физика. Жаль, что они не работают вместе.
Ключевые выводы
- В 1915 году Эйнштейн представил нашу нынешнюю теорию гравитации в ее окончательной форме: общую теорию относительности. Он прошел все наблюдательные и экспериментальные испытания, с которыми когда-либо сталкивался.
- Развитие квантовой физики заняло немного больше времени, поскольку Стандартная модель прекрасно описывает частицы и три других фундаментальных взаимодействия во Вселенной: она согласуется со всеми измеримыми величинами.
- Но на фундаментальном уровне эти два описания Вселенной принципиально несовместимы. Вот почему это важная проблема и, возможно, важный ключ к тому, что будет дальше.
Что бы вы ни слышали, не заблуждайтесь: физика не «закончена» в любом смысле этого слова. Как бы далеко мы ни продвинулись в наших попытках осмыслить окружающий нас мир и Вселенную - а мы продвинулись впечатляюще далеко, - абсолютно неискренне делать вид, будто мы решили и поняли окружающий нас природный мир с какой-либо удовлетворительной точки зрения. смысл. У нас есть две теории, которые работают невероятно хорошо: за все годы, что мы их проверяли, мы ни разу не обнаружили ни одного наблюдения или ни одного экспериментального измерения, которое противоречило бы общей теории относительности Эйнштейна или предсказаниям Стандартной модели из квантового поля. теория.
Если вы хотите узнать, как работает гравитация или каково ее влияние на любой объект во Вселенной, общая теория относительности еще не подвела нас. От настольных экспериментов до атомных часов, небесной механики и гравитационного линзирования при формировании великой космической паутины - вероятность успеха составляет 100%. Точно так же для любого мыслимого эксперимента или взаимодействия в физике элементарных частиц, опосредованного сильным, слабым или электромагнитным взаимодействием, всегда оказывалось, что предсказания Стандартной модели согласуются с результатами. В своих областях Общая теория относительности и Стандартная модель могут претендовать на звание наиболее успешной физической теории всех времен.
Но в основе обоих лежит огромная фундаментальная проблема: они просто не работают вместе. Если вы хотите, чтобы ваша Вселенная была последовательной, эта ситуация просто не подойдет. Вот основная проблема, лежащая в основе физики 21 века.
Были проведены бесчисленные научные проверки Общей теории относительности Эйнштейна, наложившие на эту идею одни из самых строгих ограничений, когда-либо установленных человечеством. Первое решение Эйнштейна было для предела слабого поля вокруг одной массы, такой как Солнце; он с поразительным успехом применил эти результаты к нашей Солнечной системе. После этого очень быстро было найдено несколько точных решений.
С одной стороны, Общая теория относительности, наша теория гравитации, была радикальной концепцией, когда она впервые появилась: настолько радикальной, что многие десятилетия подвергали ее нападкам как с философских, так и с физических позиций.
- Как могут пространство и время не быть абсолютными величинами; как они могут быть разными для всех в зависимости от конкретных свойств того, кто их наблюдает?
- Как может гравитация не быть мгновенной между любыми двумя притягивающимися объектами; как это взаимодействие может распространяться только с конечной скоростью, равной скорости света?
- Как гравитация могла влиять не только на массы, но и на все формы энергии, включая безмассовые объекты, такие как свет?
- И наоборот, как все формы энергии, а не только масса, могут влиять на то, как все другие объекты во Вселенной испытывают воздействие гравитации?
- И как во Вселенной могла существовать лежащая в основе искривленная геометрия, которая определяла движение объектов?
Независимо от того, как кто-либо мог относиться к новой картине, которую принесло с собой величайшее достижение Эйнштейна, общая теория относительности, поведение физических явлений во Вселенной не лжет. Основываясь на целом ряде экспериментов и наблюдений, Общая теория относительности оказалась удивительно успешным описанием Вселенной, успешным при всех мыслимых условиях, которые мы смогли проверить, в то время как никакая другая альтернатива этого не делает.
Результаты экспедиции Эддингтона 1919 года убедительно показали, что Общая теория относительности описывает искривление звездного света вокруг массивных объектов, опровергая ньютоновскую картину. Это было первое наблюдательное подтверждение теории гравитации Эйнштейна.
Общая теория относительности говорит нам, что материя и энергия во Вселенной - в частности, плотность энергии, давление, плотность импульса и касательное напряжение, присутствующие в пространстве-времени, - определяют количество и тип искривления пространства-времени, который присутствует во всех четырех измерениях: трех пространственных измерениях, а также во временном измерении. В результате этой кривизны пространства-времени все объекты, существующие в этом пространстве-времени, включая (но не ограничиваясь) все массивные и безмассовые частицы, движутся не обязательно по прямым линиям, а скорее по геодезическим линиям: кратчайшим путям между любыми двумя точками, определяемыми искривленное пространство между ними, а не (неправильно) предполагаемое плоское пространство.
При большой пространственной кривизне отклонения от прямолинейных траекторий велики, а скорость течения времени также может значительно увеличиваться. Эксперименты и наблюдения в лабораториях, в нашей Солнечной системе, а также в галактическом и космическом масштабах подтверждают это, полностью согласуясь с предсказаниями общей теории относительности, что еще больше подтверждает теорию.
Только эта картина Вселенной, по крайней мере пока, работает для описания гравитации. Пространство и время рассматриваются как непрерывные, а не дискретные сущности, и эта геометрическая конструкция должна служить «фоновым» пространством-временем, в котором происходят все взаимодействия, включая гравитацию.
Частицы и античастицы Стандартной модели подчиняются всевозможным законам сохранения, но также обнаруживают фундаментальные различия между фермионными частицами, античастицами и бозонными. Хотя существует только одна «копия» бозонного содержимого Стандартной модели, существует три поколения фермионов Стандартной модели. Никто не знает почему.
С другой стороны, есть Стандартная модель физики элементарных частиц. Первоначально сформулированная в предположении, что нейтрино были безмассовыми объектами, Стандартная модель основана на квантовой теории поля, где есть:
- фермионные кванты (частицы), имеющие заряды,
- бозонные кванты (также частицы), передающие силы между частицами с соответствующим зарядом,
- и (квантовый) вакуум пространства-времени, через который путешествуют и взаимодействуют все кванты.
Электромагнитная сила основана на электрических зарядах, поэтому все шесть кварков и три заряженных лептона (электрон, мюон и тау) испытывают электромагнитную силу, тогда как безмассовый фотон ее опосредует.
Сильное ядерное взаимодействие основано на цветных зарядах, и только шесть кварков обладают ими. Существует восемь безмассовых глюонов, передающих сильное взаимодействие, и никакие другие частицы в нем не участвуют.
Слабое ядерное взаимодействие, тем временем, основано на слабом гиперзаряде и слабом изоспине, и все фермионы обладают хотя бы одним из них. Слабое взаимодействие обеспечивается бозонами W- и Z, а бозоны W также обладают электрическими зарядами, а это означает, что они также испытывают электромагнитное взаимодействие (и могут обмениваться фотонами).
Собственная ширина, или половина ширины пика на изображении выше, когда вы находитесь на полпути к гребню пика, измерена как 2,5 ГэВ: собственная погрешность около +/- 3% от общей массы. Масса рассматриваемой частицы, Z-бозона, достигает максимума при 91,187 ГэВ, но эта масса по своей природе в значительной степени неопределенна из-за ее чрезвычайно короткого времени жизни. Этот результат удивительно согласуется с предсказаниями Стандартной модели.
В квантовой физике существует правило, согласно которому все идентичные квантовые состояния неотличимы друг от друга, и это позволяет им смешиваться. Ожидалось, а затем подтверждалось смешение кварков, причем слабое взаимодействие определяло различные параметры этого смешения. Как только мы узнали, что нейтрино массивны, а не безмассовы, как первоначально предполагалось, мы поняли, что такой же тип смешивания должен иметь место для нейтрино, также определяемый слабыми взаимодействиями. Этот набор взаимодействий - электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия, действующие на частицы, обладающие соответствующими и необходимыми зарядами, - описывает все, что можно было бы предсказать поведение частиц в любых вообразимых условиях.
И условия, в которых мы их тестировали, просто экстраординарны. От экспериментов с космическими лучами до экспериментов с радиоактивным распадом, солнечных экспериментов и экспериментов по физике высоких энергий с участием коллайдеров частиц - предсказания Стандартной модели согласуются с каждым из когда-либо проводившихся подобных экспериментов. Открытие бозона Хиггса подтвердило наше представление о том, что электромагнитное и слабое взаимодействие когда-то объединялись при высоких энергиях в электрослабое взаимодействие, которое стало окончательной проверкой Стандартной модели. За всю историю физики не было такого результата, который Стандартная модель не могла бы объяснить.
Сегодня диаграммы Фейнмана используются для расчета всех фундаментальных взаимодействий, охватывающих сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия, в том числе в высокоэнергетических и низкотемпературных/конденсированных условиях. Но это не может быть точной картинкой.
Но есть одна загвоздка. Все расчеты Стандартной модели, которые мы выполняем, основаны на частицах, существующих во Вселенной, что означает, что они существуют в пространстве-времени. Вычисления, которые мы обычно выполняем, выполняются в предположении, что пространство-время является плоским: предположение, которое, как мы знаем, технически неверно, но оно очень полезно (потому что вычисления в искривленном пространстве-времени намного сложнее, чем в плоском пространстве) и тому подобное. хорошее приближение к условиям, которые мы находим на Земле, которые мы продвигаем вперед и все равно делаем это приближение.
В конце концов, это один из замечательных методов, которые мы используем в физике: мы максимально просто моделируем нашу систему, чтобы зафиксировать все соответствующие эффекты, которые будут определять результат эксперимент или измерение. Если вы скажете: «Я провожу расчеты по физике высоких энергий в плоском пространстве-времени», а не в искривленном пространстве-времени, вы не получите существенно другого ответа, за исключением самых экстремальных условий.
Но во Вселенной существуют экстремальные условия: например, в пространстве-времени вокруг черной дыры. В этих условиях мы можем определить, что использование плоского фона пространства-времени просто бесполезно, и мы вынуждены взять на себя геркулесову задачу выполнения наших расчетов квантовой теории поля в искривленном пространстве.
Иллюстрация сильно искривленного пространства-времени для точечной массы, что соответствует физическому сценарию нахождения вне горизонта событий черной дыры. По мере того как вы все ближе и ближе приближаетесь к местоположению массы в пространстве-времени, пространство становится все более искривленным, что в конечном итоге приводит к месту, из которого не может выйти даже свет: горизонту событий. Радиус этого места определяется массой, зарядом и угловым моментом черной дыры, скоростью света и только законами общей теории относительности.
Вас может удивить, что в принципе это не так уж и сложно. Все, что вам нужно сделать, это заменить плоский фон пространства-времени, который вы обычно используете для выполнения ваших расчетов, на изогнутый фон, как описано в общей теории относительности. В конце концов, если вы знаете, как искривлено ваше пространство-время, вы можете записать уравнения для фона, а если вы знаете, какие у вас есть кванты/частицы, вы можете записать остальные члены, описывающие взаимодействия между ними в этом пространстве-времени. Остальное, хотя это довольно сложно на практике в большинстве случаев, является просто вопросом вычислительной мощности.
Вы можете описать, например, как ведет себя квантовый вакуум внутри и вне горизонта событий черной дыры. Поскольку вы находитесь в области, где пространство-время тем сильнее искривлено, чем ближе вы находитесь к сингулярности черной дыры, квантовый вакуум отличается вычислимым образом. Различие в том, каково состояние вакуума в разных областях пространства - особенно при наличии горизонта, будь то космологический или горизонт событий, - приводит к производству излучения и пар частица-античастица везде, где присутствуют квантовые поля. Это фундаментальная причина излучения Хокинга: причина того, что черные дыры в квантовой Вселенной фундаментально нестабильны и в конечном итоге распадаются.
Хотя свет не может выйти из-под горизонта событий черной дыры, искривленное пространство за ее пределами приводит к различию между состоянием вакуума в разных точках вблизи горизонта событий, что приводит к испусканию излучения через квантовые процессы. Вот откуда исходит излучение Хокинга, и для черных дыр с наименьшей массой из когда-либо обнаруженных излучение Хокинга приведет к их полному распаду примерно через 10 ^ 68 лет. Даже для черных дыр с самой большой массой продолжительность жизни более 10^103 лет или около того невозможна из-за именно этого процесса.
Это все, что мы можем сделать, и это не ведет нас повсюду. Да, мы можем таким образом заставить Стандартную модель и общую теорию относительности «играть хорошо», но это позволяет нам только рассчитать, как действуют фундаментальные силы в сильно искривленном пространстве-времени, достаточно далеком от сингулярностей, таких как центры черных точек. дыры или - в теории - в самом начале Вселенной, если предположить, что такое начало существует.
Сводящая с ума причина в том, что гравитация влияет на все типы материи и энергии. Все находится под влиянием гравитации, включая, теоретически, любые типы частиц, которые в конечном счете ответственны за гравитацию. Учитывая, что свет, являющийся электромагнитной волной, состоит из отдельных квантов в форме фотонов, мы предполагаем, что гравитационные волны состоят из квантов в форме гравитонов, многие свойства частиц которых нам даже известны в отсутствие полной квантовой теории гравитации.
Но это именно то, что нам нужно. Это недостающая часть: квантовая теория гравитации. Без него мы не можем понять или предсказать какие-либо квантовые свойства гравитации. И прежде чем вы скажете: «А что, если их не существует?» знаю, что это не нарисует последовательной картины реальности.
Волновая картина для электронов, проходящих через двойную щель, по одному за раз. Если вы измерите, через какую щель проходит электрон, вы разрушите показанную здесь картину квантовой интерференции. Правила Стандартной модели и общей теории относительности не говорят нам, что происходит с гравитационным полем электрона, когда он проходит через двойную щель; для этого потребуется нечто, выходящее за рамки нашего нынешнего понимания, например, квантовая гравитация. Независимо от интерпретации, квантовые эксперименты, по-видимому, заботятся о том, делаем ли мы определенные наблюдения и измерения (или инициируем определенные взаимодействия) или нет.
Например, рассмотрим самый «квантовый по своей сути» из всех когда-либо проводившихся квантовых экспериментов: эксперимент с двумя щелями. Если вы посылаете единственную квантовую частицу через аппарат и наблюдаете, через какую щель она проходит, то результат полностью предопределен, поскольку частица ведет себя так, как будто она
- собирался пройти,
- идет через,
- и прошел,
щель, через которую он проходил на каждом этапе пути. Если бы эта частица была электроном, вы могли бы определить, какими были его электрические и магнитные поля на протяжении всего пути. Вы также можете определить, каким было его гравитационное поле (или, что то же самое, каково было его влияние на кривизну пространства-времени) в каждый момент времени..
Но что, если вы не заметите, через какую щель он проходит? Теперь положение электрона неопределенно, пока он не попадет на экран, и только тогда можно определить, «где» он находится. Во время его путешествия, даже после того, как вы сделаете это критическое измерение, его прошлая траектория не будет полностью определена. Благодаря силе квантовой теории поля (для электромагнетизма) мы можем определить, каким было его электрическое поле. Но поскольку у нас нет квантовой теории гравитации, мы не можем определить ее гравитационное поле или эффекты. В этом смысле - а также в малых масштабах, богатых квантовыми флуктуациями, или в сингулярностях, в которых классическая общая теория относительности дает только бессмысленные ответы - мы не до конца понимаем гравитацию.
Квантовая гравитация пытается объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Квантовые поправки к классической гравитации визуализируются в виде петлевых диаграмм, как показано здесь белым цветом. Вопрос о том, является ли само пространство (или время) дискретным или непрерывным, еще не решен, равно как и вопрос о том, квантуется ли вообще гравитация и являются ли частицы, какими мы их знаем сегодня, фундаментальными или нет. Но если мы надеемся на фундаментальную теорию всего, она должна включать квантованные поля, чего ОТО не делает сама по себе.
Это работает в обе стороны: поскольку мы не понимаем гравитацию на квантовом уровне, это означает, что мы не совсем понимаем сам квантовый вакуум. Квантовый вакуум, или свойства пустого пространства, - это то, что можно измерить различными способами. Эффект Казимира, например, позволяет измерять эффект электромагнитного взаимодействия через пустое пространство при различных установках, просто изменяя конфигурацию проводников. Расширение Вселенной, если мы измеряем его по всей нашей космической истории, раскрывает нам совокупный вклад всех сил в нулевую энергию пространства: квантовый вакуум.
Но можем ли мы каким-либо образом количественно оценить квантовый вклад гравитации в квантовый вакуум?
Ни за что. Мы не понимаем, как рассчитать поведение гравитации при высоких энергиях, в малых масштабах, вблизи сингулярностей или когда квантовые частицы проявляют свою квантовую природу. Точно так же мы не понимаем, как квантовое поле, лежащее в основе гравитации - если оно существует - вообще ведет себя при любых обстоятельствах. Вот почему нельзя отказываться от попыток понять гравитацию на более фундаментальном уровне, даже если все, что мы делаем сейчас, оказывается неправильным. На самом деле нам удалось определить ключевую проблему, которую необходимо решить, чтобы продвинуть физику вперед за ее нынешние ограничения: огромное достижение, которое никогда не следует недооценивать. Единственные варианты - продолжать попытки или сдаться. Даже если все наши попытки в итоге окажутся тщетными, это лучше, чем альтернатива.