Kvantinė gravitacija

Straipsnis iš Enciklopedijos Lietuvai ir Pasauliui (ELIP).
 Broom icon.svg  Šį puslapį ar jo dalį reikia sutvarkyti pagal Enciklopedijos standartus.
Jei galite, sutvarkykite; apie sutvarkymą galite pranešti specialiame Enciklopedijos projekte.

Kvantinė gravitacija (KG) – tai teorinės fizikos sritis, kurioje bandoma sujungti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją (BRT) ir kvantinę mechaniką (KM), arba tiksliau, suformuluoti neprieštaringą teoriją

Teorijų kubas

Sunkumai kuriant

Pagrindinis sunkumas KG konstrukcijoje yra tai, kad dvi fizikinės teorijos, kurias ji bando sujungti kartu – KM ir BRT – yra grįstos skirtingais principais. Ne paslaptis, kad KM aprašo neįprastus fizikos reiškinius, su kuriais susiduriame, vos tik imame tyrinėti atomus bei juos sudarančias elementariąsias daleles. BRT mus verčia užmiršti atomus ir žvilgsnį nukreipia į nesuskaičiuojamą pavidalų kiekį įgyjantį erdvėlaikį ir Visatos platybėse vyraujančią gravitacijos jėgą. Laikas šioje teorijoje nėra išskirta dimensija: erdvė ir laikas nėra išoriniai objektai, tai nėra „scena“ kurioje vyksta didysis Gamtos vaidinimas. Erdvėlaikis bendroje reliatyvumo teorijoje yra dinaminis kintamasis, priklausantis nuo patalpintų jame klasikinių sistemų. KM, priešingai, nei BRT, nėra vietos gravitacijos reiškiniams dėl jų nykstamai mažos įtakos. Pati KM formuluojama kaip fizinių sistemų, pvz., atomų arba elementariųjų dalelių, evoliucija laike, kurioje erdvėlaikis yra išorinis fonas. Todėl pagrindinis KG teorijos tikslas – pasitelkus kvantinius dėsnius, apibūdinti erdvėlaikio prigimtį, kai nagrinėjami patys mažiausi elementariųjų dalelių pasaulio atstumai, ir pabandyti ją paaiškinti fundamentalių sudedamųjų dalių savybėmis.

Situaciją blogina dar tai, kad nežiūrint didelių technikos pergalių, šiuolaikinės technologijos nepajėgios betarpiškai stebėti kvantinės gravitacijos reiškinius. Todėl, nepaisant intensyvių mokslinių tyrimų, kvantinės gravitacijos teorija dar nėra visuotinai priimta. Dėl to terminas „Kvantinė gravitacija“ rodo daugiau atvirą problemą, nei konkrečią teoriją. Šiuo metu yra dvi perspektyvios KG nagrinėjimo kryptys: stygų teorija ir kilpinė kvantinė gravitacija.

Teorinės struktūros

Stygų teorija

Stygų teorijos sukūrimas prieš 40 metų buvo itin daug žadanti pradžia siekiant bendrosios jungtinės teorijos, kuri galėtų paaiškinti viską, sukūrimas, tačiau ši vizija vis dar lieka gana tolima.

Stygų teorija buvo sukurta mėginant sujungti makro ir mikro pasaulių fiziką, kuriai atitinkamai atstovauja BRT ir KM. Ji pakeičia nulinės dimensijos taškinių elementariųjų dalelių idėją jungiančia vienos dimensijos styga. Šiuo požiūriu styga kaip dalelė yra modelis, kuriuo siekiama paaiškinti arba numatyti tam tikras Visatos savybes.

Stygų lauko teorija

Stygų teorija

Naujų dalelių skaičiui toliau augant, iškelta stygos idėja buvo bandoma jas visas sujungti, o tai galiausiai atvedė prie stygų lauko idėjos. Toks laukas visas daleles vaizduoja kaip stygos virpėjimus tam tikrais dažniais, visų virpėjimų suma, paprastu būdu sujungiantis visas daleles į vieną.

Stygų lauko teorija yra esminė, mėginant suprasti, kas nutinka, kai tiek KM, tiek BRT pasireiškia išvien ir sąveikauja tarpusavyje. Tai svarbu ten, kur kvantinė gravitacija atlieka svarbų vaidmenį, pavyzdžiui, juodosiose skylėse ar pradedant formuotis mūsų Visatai. Abiem atvejais matmenys gali būti maži, ir tam reikėtų KM, tačiau milžiniškos energijos ir didžiulė masė tuo pačiu metu sukuria nepaprastai stiprius gravitacinius laukus, o juos kol kas galime nagrinėti tik pasitelkdami BRT.

Viena iš didžiausių stygų lauko teorijos problemų glūdi eksperimentuose, kuriais būtų galima patikrinti prognozes arba įkvėpti naujiems teoriniams išvedžiojimams. Pagal šią teoriją Visata turi 11 dimensijų, 4 iš jų stebime erdvėlaikyje.

Kilpinė kvantinė gravitacija

Išvystyta paskutiniame XX a. dešimtmetyje, „kilpinė gravitacija“ buvo kurta dviem etapais: pradžioje buvo performuluota bendroji reliatyvumo teorija, kad derėtų su klasikine elektromagnetizmo teorija; jos „kilpos“ yra atitikmuo elektriniams ir magnetiniams laukams. Vėliau, įtrauktos naujos procedūros, kurių kai kurios panašios į mazgų matematiką, kvantinius principus pritaikant kilpoms. Tokia kvantinės gravitacijos teorija panaši į erdvėlaikio atomus turinčią teoriją.

Stygų teorija padeda suprasti elementariųjų dalelių sąveikas (įskaitant ir gravitaciją), kai tos sąveikos yra silpnos. Tačiau gimstant Visatai, kai gravitacija buvo labai stipri, priimtinesnė turėtų būti kilpų teorija. Kilpų gravitacija išplečia tą įžvalgą į kvantinį lygmenį. Ji paima mūsų įprastinį elementariųjų dalelių sampratą ir ją pritaiko erdvėlaikio atomams, pateikdama unifikuotą daugelio pagrindinių koncepcijų pateikimą. Pvz., kvantinė elektromagnetizmo teorija aprašo vakuumą kaip esantį kunkuliuojanti virtualių dalelių „foną“ (nuliniai vakuumo svyravimai). Bet koks energijos padidėjimas vakuume sukelia realios dalelės atsiradimą. Kilpinės gravitacijos teorijoje vakuumas yra erdvėlaikio nebuvimas – tokia visiška tuštuma, kokią tik galime įsivaizduoti. Kilpų gravitacija aprašo, kaip kiekvienas energijos padidėjimas vakuume sukuria naujus „erdvėlaikio atomus“.

„Erdvėlaikio atomai“ sudaro tankų, nepastovų tinklą. Dideliais atstumais jų dinamika leidžia vystytis Einšteino BRT Visatai. Kitais atvejais mes niekada nepastebėsime „erdvėlaikio atomų“ egzistavimo; tinklo tankis toks didelis, kad jis atrodo kaip kontinuumas. Tačiau kai erdvėlaikis užpildomas didelio tankio energija (kaip buvo Didžiojo sprogimo metu), grūdėta erdvėlaikio struktūra turi įtaką ir čia kilpinė kvantinė gravitacija iš esmė pradeda skirtis nuo BRT.

Kitos teorijos

Yra ir kitų kvantinės gravitacijos metodų, kurie skiriasi priklausomai nuo kurių BRT ar KM teorijos ypatybės yra priimtos nepakitusios, ir kurios ypatybės yra pakeistos. Pavyzdžiai:

  • Akustinė metrika ir kiti analogiški kvantinės gravitacijos modeliai
  • Išskirtinai paprasta „Visko teorija“
  • Asimptotinės laisvės teorijos
  • Priežastinė Dinaminė Trianguliacija
  • Priežastinės aibės
  • Nekomutatyvi geometrija
  • Funkcinio integralo metodai
  • Regge skaičiavimai
  • Supergravitacija
  • Tvistorių modeliai
  • Grupinė lauko teorija
  • Makdovelio–Masuri veikimas

Šaltiniai

  1. Straipsnis Organizuota kvantinė visata
  2. Stygų lauko teorija
  3. Stygų teorija (angl.)
  4. Didysis sprogimas ar Didysis atšokimas
  5. Straipsnis Loop quantum gravity (angl.)
  6. Straipsnis Loop quantum gravity (angl.)
  7. Straipsnis Kas vis dėlto įvyko prieš Didįjį sprogimą?

Nuorodos


Sudarytojai, rašytojai ir redaktoriai

Kitur naudojant ar cituojant šį straipsnį, būtina nurodyti jo sumanytojus, sudarytojus, rašytojus ir redaktorius.
  • Vitas Povilaitis – autorius – 100% (+10509-0=10509 wiki spaudos ženklai).