У нас есть два описания Вселенной, которые прекрасно работают: общая теория относительности и квантовая физика. Жаль только, что они не работают вместе…
Ключевые факты:
В 1915 году Эйнштейн представил существующую и по сей день теорию гравитации в ее окончательном виде: общую теорию относительности (ОТО). Она прошла всевозможные проверки наблюдениями и экспериментами.
Квантовая физика развивалась немного дольше, и Стандартная модель, описывающая частицы и три другие фундаментальные силы во Вселенной, оказалась безупречной: она согласуется со всеми измеримыми величинами.
Но на фундаментальном уровне эти два описания Вселенной совершенно несовместимы. И эта несовместимость является и ключевой проблемой современной физики и, возможно, важнейшей подсказкой для дальнейших открытий.
Что бы вы ни слышали об этом, не заблуждайтесь: физика ни в коем смысле не «закончилась»! Как бы далеко мы ни продвинулись в попытках осмыслить мир и Вселенную вокруг нас (а мы продвинулись впечатляюще далеко), было бы нечестно делать вид, что мы решили и поняли окружающий нас мир хоть в сколько-нибудь удовлетворительной мере. У нас есть две теории, которые работают невероятно хорошо: за все годы их проверки мы не нашли ни одного наблюдения и не сделали ни одного экспериментального измерения, которые противоречили бы либо общей теории относительности Эйнштейна, либо предсказаниям Стандартной модели квантовой теории поля.
Если вы хотите знать, как работает гравитация и каково ее воздействие на любой объект во Вселенной, то обращайтесь к ОТО: общая теория относительности еще ни разу нас не подвела. От настольных экспериментов до атомных часов, от небесной механики до гравитационного линзирования и формирования великой космической паутины, показатель успешности ОТО составляет 100%. Точно так же и для любого мыслимого эксперимента или взаимодействия в физике частиц, будь оно опосредовано сильным, слабым или электромагнитным взаимодействием, предсказания Стандартной модели всегда согласуются с результатами; возникали аномалии, но каждый раз Стандартная модель в конечном итоге торжествовала. В своих собственных областях и ОТО, и Стандартная модель могут претендовать на звание самых успешных физических теорий всех времен.
Но в основе обеих теорий кроется огромная фундаментальная проблема: они просто не работают вместе. Если мы хотим, чтобы наше описание Вселенной было непротиворечивым, такая ситуация просто недопустима. Вот в этом и заключается фундаментальная проблема физики XXI века.
Наша теперешняя теория гравитации, ОТО, когда она только появилась, была радикальной концепцией: настолько радикальной, что на протяжении многих десятилетий ее атаковали как по философским, так и по физическим причинам:
Как пространство и время могут не быть абсолютными величинами; как они могут быть разными для всех в зависимости от конкретных свойств наблюдателя?
Как гравитация может не быть мгновенной между любыми двумя притягивающимися объектами; как это взаимодействие может распространяться лишь с конечной скоростью, равной скорости света?
Как гравитация может воздействовать 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 остальные объекты во Вселенной испытывают воздействие гравитации?
И как может существовать скрытая, искривленная геометрия Вселенной, определяющая движение объектов?
Независимо от того, кто что думал о новой картине мира, которую открыло нам величайшее достижение Эйнштейна, ОТО, поведение физических объектов и явлений во Вселенной никогда не лжет. Основываясь на целом комплексе экспериментов и наблюдений, общая теория относительности оказалась удивительно успешным описанием Вселенной, подтверждая свою состоятельность при любых мыслимых условиях, которые мы смогли проверить, в то время как ни одна альтернативная теория этого не делает.
Расчет отклонения луча света Солнцем, описание измерений подробнее (комментарий avshkol)
Ньютон предполагал, что свет состоит из крошечных материальных частиц, «корпускул», которые летят от источника с огромной скоростью. Если свет состоит из частиц, а эти частицы обладают хоть какой-то (даже бесконечно малой) массой, то на них должно действовать всемирное тяготение Ньютона.
Здесь вступает в силу принцип, который обнаружил еще Галилей: все тела, независимо от их массы, падают с одинаковым ускорением.
Это значит, что для расчета траектории отклонения света звезд возле Солнца (по Ньютону) неважно, какая масса у частицы света. Важна только её скорость (скорость света 
) и масса притягивающего объекта (Солнца) 
. Впервые расчет угла отклонения для света сделал немецкий математик Иоганн Георг фон Зольднер в 1801 году. Его формула давала угол отклонения: 
≈ 0.84 угловых секунд (сейчас 0.875, поскольку мы знаем более точно массу и радиус Солнца
).
В 1915 году, завершив Общую теорию относительности (ОТО), Эйнштейн понял, что гравитация не просто «сила притяжения», действующая на частицы. Гравитация — это искривление самого пространства-времени массивными объектами. Когда свет проходит мимо Солнца, на его траекторию влияют два фактора:
1) Искривление времени (гравитационное замедление времени). Этот эффект дает ровно тот же вклад, что и ньютоновская теория: 0.87".
2) Искривление пространства добавляет еще 0.87".
В итоге: 
угловых секунд.
Во время полного солнечного затмения Луна закрывает Солнце, делая видимыми звезды, расположенные рядом с ним на небесной сфере. В обычных условиях эти звезды не видны из-за яркости Солнца.
Затмение 29 мая 1919 года было отличным поводом измерить отклонение луча света от звезд, потому что Солнце находилось перед ярким скоплением звезд Гиады, что облегчало измерения.
Экспедиция для проверки расчетов Эйнштейна была организована британскими астрономами Фрэнком Уотсоном Дайсоном из Королевской Гринвичской обсерватории и Артуром Стэнли Эддингтоном из Кембриджского университета. В феврале 1919 года две команды отправились в экспедицию для наблюдения полного солнечного затмения 29 мая 1919 года. Использовались две обсерватории:
Собрал, Бразилия. Команда использовала два телескопа: основной 13-дюймовый телескоп и резервный 4-дюймовый телескоп. Основной телескоп зафиксировал 12 звезд, резервный — 7 звезд Из-за проблем с фокусировкой изображения основного телескопа оказались размытыми и были исключены из окончательного анализа. Меньший телескоп дал наиболее четкие изображения.
Принсипи (остров в Гвинейском заливе, Западная Африка). Эддингтон лично руководил этой командой. Было сделано 16 фотографий Солнца. Наблюдениям мешала облачность и сильная гроза в день затмения, но последние несколько фотографий показали четкие изображения звезд.
Данные из Собрала (меньший телескоп) показали отклонение, немного превышающее расчеты Эйнштейна. Данные с Принсипи, несмотря на облачность, также подтвердили расчеты Эйнштейна. Основной телескоп в Собрале дал результаты, ближе к ньютоновскому расчету, но они были отклонены из-за низкого качества изображений.
6 ноября 1919 года Эддингтон представил результаты на совместном заседании Лондонского королевского общества и Королевского астрономического общества. Это стало мировой сенсацией. Результаты наблюдений вызвали невероятный ажиотаж в прессе, так, лондонская The Times писала: «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Ньютоновские идеи опрокинуты».
Общая теория относительности говорит нам, что материя и энергия во Вселенной, в частности, плотность энергии, давление, плотность импульса и напряжение сдвига, присутствующие во всем пространстве-времени, определяют величину и тип кривизны пространства-времени, присутствующей во всех четырех измерениях: трех пространственных и одном временном. В результате этой кривизны пространства-времени все сущности, находящиеся в нем, включая (но не ограничиваясь) всеми массивными и безмассовыми частицами, движутся не обязательно по прямым линиям, а скорее по геодезическим: кратчайшим путям между любыми двумя точками, определяемым искривленным пространством между ними, а вовсе не (ошибочно) предполагаемым плоским пространством.
Комментарий avshkol о том, что такое плотность энергии, давление, плотность импульса и напряжение сдвига
Эти четыре понятия (плотность энергии, давление, плотность импульса и напряжение сдвига) являются конкретными компонентами фундаментального математического объекта в Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, который называется тензор энергии-импульса (или тензор напряжений-энергий), обозначаемый как 
.
Этот тензор стоит в правой части уравнений Эйнштейна и выступает «источником», который диктует пространству-времени, как именно ему нужно искривляться.
Уравнение Эйнштейна в упрощенном виде выглядит так:
Кривизна пространства-времени = (Константа) × Тензор энергии-импульса
1) Плотность энергии, 
. Это количество энергии в единице объема пространства. Поскольку в физике масса и энергия эквивалентны ( 
), сюда входит и масса покоя вещества, и его кинетическая энергия, и энергия полей (например, электромагнитного). Это самый мощный источник гравитации в привычных нам условиях. Именно плотность энергии создает основную кривизну пространства-времени вокруг планет, звезд и галактик.
2) Давление ( 
). Это диагональные пространственные компоненты тензора. В физике давление — это поток импульса через единичную площадку. Оно характеризует, как частицы или поля «давят» на окружающее пространство изнутри. В ньютоновской физике давление не создает гравитацию, но в ОТО давление тоже является источником гравитации. Положительное давление (например, внутри звезды или в газе) усиливает гравитацию. Отрицательное давление (натяжение) создает эффект «антигравитации». Именно отрицательное давление темной энергии отвечает за ускоренное расширение Вселенной.
3) Плотность импульса ( 
и 
, где 
) Это количество импульса (масса × скорость) в единице объема. Эта величина описывает направленное движение энергии или массы через пространство. Движущаяся или вращающаяся масса не просто притягивает, она «тащит» само пространство-время за собой. Это явление называется увлечением инерциальных систем отсчета (эффект Лензе-Тирринга). Например, вращающаяся черная дыра или Земля закручивают пространство-время вокруг себя, как вращающаяся ложка вращает мед в банке вокруг себя.
4) Напряжение сдвига ( 
, где 
). Это недиагональные пространственные компоненты тензора. Они описывают поток импульса в направлении, перпендикулярном нормали к площадке. Проще говоря, это касательные силы или внутреннее трение (вязкость) внутри материи или поля. В обычных условиях (например, для планет) этот вклад ничтожно мал. Однако в экстремальных астрофизических объектах, таких как аккреционные диски вокруг черных дыр, быстро вращающиеся нейтронные звезды или ранняя вязкая Вселенная, напряжения сдвига вносят заметный вклад в искривление пространства-времени.
Итак, пространство-время вовсе не пассивная сцена для действия гравитации. Оно динамично и реагирует на все четыре описанных выше фактора. В результате этой суммарной кривизны формируются геодезические линии. Геодезическая — это обобщение понятия «прямая линия» на искривленные поверхности. Свободно падающее тело (или луч света) не чувствует никакой «силы» гравитации; оно просто движется по кратчайшему возможному пути в том пространстве-времени, которое уже искривлено присутствующей там энергией, давлением, движением и сдвиговыми напряжениями.
Там, где кривизна пространства велика, отклонения от прямолинейных путей значительны, а скорость течения времени может существенно замедляться. Эксперименты и наблюдения в лабораториях, в нашей Солнечной системе, а также на галактических и космических масштабах прекрасно с этим согласуются, служа дополнительным мощным подтверждением предсказаний ОТО.
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 необходима для того, чтобы служить «фоновым» пространством-временем, в котором происходят все взаимодействия, включая и саму гравитацию.
С другой стороны, существует Стандартная модель физики частиц. Изначально сформулированная в предположении, что нейтрино — безмассовые сущности, Стандартная модель базируется на квантовой теории поля, где существуют:
фермионные кванты (частицы), обладающие зарядами,
бозонные кванты (тоже частицы), которые переносят взаимодействия между частицами с соответствующим зарядом,
и (квантовый) вакуум пространства-времени, через который проходят и взаимодействуют все кванты.
Электромагнитное взаимодействие основано на электрических зарядах, поэтому все шесть кварков и три имеющих заряд лептона (электрон, мюон и тау-лептон) испытывают электромагнитное воздействие, а безмассовый фотон является его переносчиком.
Сильное ядерное взаимодействие основано на цветовых зарядах, и только шесть кварков ими обладают. Существует восемь безмассовых глюонов, переносящих сильное взаимодействие, и никакие другие частицы в нем не участвуют.
Что такое цветовой заряд, и чем он отличается от электромагнитного (комментарий avshkol)
Цветовой заряд — это свойство кварков, которое заставляет их «склеиваться» друг с другом, образуя протоны, нейтроны и другие частицы. Это основа сильного ядерного взаимодействия, которое удерживает ядра атомов от распада.
Слово «цвет» здесь используется только как удобная аналогия и не имеет ничего общего с реальными цветами, которые мы видим. Физики просто взяли три названия (красный, зеленый, синий), потому что их смешение дает белый, нейтральный цвет, а в природе все наблюдаемые частицы должны быть «бесцветными» (цветонейтральными).
Проще понять цвет, сравнив его с электромагнитным взаимодействием. Вот отличия цветового заряда от привычного нам электромагнитного (электрического):
1) Электрический заряд есть у многих частиц (электроны, протоны, кварки и т.д.).
Цветовой заряд есть только у кварков (и у переносчиков этого взаимодействия — глюонов). Лептоны (например, электроны) его не имеют, поэтому они «не чувствуют» сильного взаимодействия.
2) Электрический заряд бывает всего 2 видов: положительный (+) и отрицательный (–).
Цветовой имеет 3 типа (условно «красный», «зеленый», «синий») и три соответствующих антицвета. Чтобы получить стабильную частицу (например, протон), нужно собрать вместе три кварка разных «цветов», которые в сумме дадут «белый» (нейтральный) цвет.
3) Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами. Сам фотон не имеет электрического заряда (фотоны не притягиваются и не отталкиваются друг от друга).
Сильное взаимодействие переносится глюонами (от англ. glue — клей). Их 8 видов, и, в отличие от фотонов, глюоны сами обладают цветовым зарядом. Это значит, что глюоны могут взаимодействовать друг с другом, «склеиваясь» в сложные структуры.
4) Наконец, различное поведение на расстоянии. Чем дальше вы разводите два электрических заряда, тем слабее становится взаимодействие (закон Кулона).
Цветовое взаимодействие работает как натянутая резинка. Чем дальше вы пытаетесь развести два кварка, тем сильнее становится сила притяжения между ними. Если потянуть слишком сильно, «резинка» рвется, но энергия разрыва тратится на рождение новой пары кварк-антикварк. Поэтому одиночные кварки в природе не встречаются (это явление называется конфайнмент).
Слабое ядерное взаимодействие основано на слабом гиперзаряде и слабом изоспине, и все фермионы обладают хотя бы одним из них. Слабое взаимодействие переносится W- и Z-бозонами, причем W-бозоны также обладают электрическими зарядами, что означает, что они тоже испытывают электромагнитное взаимодействие (и могут обмениваться фотонами).
Как можно представить слабый гиперзаряд и слабый изоспин (комментарий avshkol)
Слабое взаимодействие уникально тем, что оно не просто притягивает или отталкивает частицы, а заставляет их превращаться друг в друга (например, превращает нейтрон в протон при бета-распаде).
У слабого взаимодействия есть два фундаментальных свойства:
1) Слабый изоспин.
Природа не любит одиночек в слабом взаимодействии. Все фермионы (частицы материи: кварки и лептоны) ходят строгими парами (дублетами). Примеры такой пары: верхний кварк и нижний кварк или электронное нейтрино и электрон.
Слабый изоспин — это просто метка, которая указывает, кем именно является частица внутри своей пары. Условно: «+½» означает «я верхняя часть пары» (например, нейтрино). «-½» означает «я нижняя часть пары» (например, электрон).
2) Слабый гиперзаряд.
Если изоспин говорит о положении в паре, то слабый гиперзаряд — это некое внутреннее, «фоновое» число, присущее частице.
Слабый гиперзаряд и слабый изоспин вместе работают как простой математический рецепт для создания электрического заряда. Формула Гелл-Манна-Нисидзимы:
Электрический заряд = Слабый изоспин + (Слабый гиперзаряд / 2)
Подробнее о приведенной диаграмме (комментарий avshkol)
На графике показано, как часто рождаются Z-бозоны с разной массой. Пик на 91 ГэВ — большинство Z-бозонов имеют массу около 91 ГэВ (гигаэлектронвольт). Не все Z-бозоны имеют точно 91 ГэВ. Некоторые легче (70-85 ГэВ), некоторые тяжелее (95-100 ГэВ). Это видно по “колоколу” вокруг пика.
Почему есть разброс? Z-бозон живет невероятно мало (около 10-25 секунды). Из-за такой короткой жизни его масса не может быть точно фиксированной, и это фундаментальное свойство квантового мира.
На половине высоты пика его ширина составляет около 2,5 ГэВ. Это означает, что масса Z-бозона “размазана” примерно на 3% от его среднего значения. Заштрихованная область (расчет, компьютерное моделирование) совпадает с реальными данными (точки). Это подтверждает, что Стандартная модель физики частиц работает.
В квантовой физике есть правило: все тождественные квантовые состояния неотличимы друг от друга, что позволяет им смешиваться. Смешивание кварков было предсказано, а затем подтверждено, причем слабое взаимодействие определяло различные параметры этого смешивания. Как только мы узнали, что нейтрино массивны, а не безмассовы, как изначально ожидалось, мы поняли, что тот же тип смешивания должен происходить и для нейтрино, также определяемый слабыми взаимодействиями. Этот набор взаимодействий (электромагнитные, слабые и сильные ядерные силы, действующие на частицы, обладающие соответствующими и необходимыми зарядами) описывает все, что только можно пожелать для предсказания поведения частиц в любых вообразимых условиях.
Что за смешивание? (комментарий avshkol)
В квантовом мире у частиц есть два разных способа описания их состояния, которые не совпадают друг с другом: (1) как частица рождается и взаимодействует с другими частицами (например, через слабое взаимодействие), и (2) как частица движется в пространстве и эволюционирует во времени, это определяется её массой.
Правило неотличимости означает, что если квантовая система может находиться в состоянии А или в состоянии Б, и нет никакого физического способа их различить в процессе взаимодействия, то реальное состояние частицы – это не «или-или», а их смесь (суперпозиция).
Кварки (из них состоят протоны и нейтроны) имеют разные ароматы: верхний (up), нижний (down), странный (strange) и т.д. Слабое взаимодействие может превращать один кварк в другой (именно так происходит бета-распад). Но кварк, участвующий в слабом взаимодействии представляет собой «коктейль» из кварков с определенной массой. Математически эти «пропорции смешивания» описываются специальной таблицей коэффициентов, которая называется Матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (CKM). Она говорит, с какой вероятностью, например, «верхний» кварк превратится в «нижний» или «странный». Эта матрица была сначала предсказана теоретически из соображений симметрии, а затем подтверждена экспериментально.
И условия, в которых мы их проверяли, экстраординарны. От экспериментов с космическими лучами до экспериментов по радиоактивному распаду, от солнечных экспериментов до экспериментов по физике высоких энергий с использованием ускорителей частиц. И везде предсказания Стандартной модели согласуются с каждым когда-либо проведенным подобным экспериментом. Как только был открыт бозон Хиггса, это подтвердило нашу картину того, что электромагнитное и слабое взаимодействия когда-то были объединены (при высоких энергиях в ранней Вселенной) в электрослабое взаимодействие, что стало окончательной проверкой Стандартной модели. За всю историю физики не было ни одного результата, который Стандартная модель не смогла бы объяснить.
Но есть одна загвоздка. Все расчеты Стандартной модели, которые мы выполняем, основаны на частицах, существующих во Вселенной, а это значит, что они существуют в пространстве-времени. Расчеты, которые мы обычно проводим, выполняются в предположении, что пространство-время плоское: допущение, которое, как мы знаем, технически неверно, но настолько полезно (поскольку расчеты в искривленном пространстве-времени намного сложнее, чем в плоском) и является столь хорошим приближением к условиям, которые мы находим на Земле, что мы продолжаем использовать это приближение.
В конце концов, это один из отличных методов, которые мы используем в физике: мы моделируем нашу систему максимально простым образом, чтобы охватить все релевантные эффекты, которые определят исход эксперимента или измерения. Логика «я провожу свои расчеты в области физики высоких энергий в плоском пространстве-времени», не дает заметно отличающегося ответа по сравнению с искривленным, за исключением самых экстремальных условий.
Но экстремальные условия во Вселенной существуют: например, в пространстве-времени вокруг черной дыры.
В этих условиях использовать фоновое плоское пространство-время просто не годится, и мы вынуждены браться за геркулесову задачу выполнения расчетов квантовой теории поля в искривленном пространстве.
Вас может удивить, что, в принципе, это не так уж и сложно. Все, что нужно сделать, это заменить плоский фон пространства-времени, который обычно используется для расчетов, на искривленный фон, описываемый общей теорией относительности. В конце концов, если вы знаете, как искривлено в вашем случае пространство-время, вы сможете записать уравнения для этого фона, а если вы знаете, какие у вас есть кванты/частицы, вы можете записать оставшиеся члены, описывающие взаимодействия между ними в этом пространстве-времени. Остальное, хотя на практике в большинстве случаев это довольно сложно, является просто вопросом вычислительной мощности.
Вы можете описать, например, как ведет себя квантовый вакуум внутри и снаружи горизонта событий черной дыры. Поскольку вы находитесь в области, где пространство-время искривлено тем сильнее, чем ближе вы к сингулярности черной дыры, квантовый вакуум отличается предсказуемым образом. Различие в том, что состояние вакуума в разных областях пространства, особенно в присутствии горизонта, будь то космологический горизонт или горизонт событий, приводит к рождению 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 распадутся.
Однако это все, на что мы способны, и это не приводит нас к результату. Да, мы можем заставить Стандартную модель и ОТО «ладить» таким способом, но это позволяет нам лишь рассчитать, как работают фундаментальные силы в сильно искривленных вариантах пространства-времени, которые находятся достаточно далеко от сингулярностей, таких как те, что в центрах черных дыр, или, теоретически, в самом начале Вселенной, если таковое существует.
Причина, сводящая с ума, заключается в том, что гравитация влияет на все типы материи и энергии. Гравитации подвержено все, включая, теоретически, любые типы частиц, которые в конечном итоге ответственны за саму гравитацию. Учитывая, что свет, являющийся электромагнитной волной, состоит из отдельных квантов-фотонов, мы предполагаем, что гравитационные волны состоят из квантов в форме гравитонов, многие свойства которых в качестве частиц мы знаем даже в отсутствие полной квантовой теории гравитации.
И это именно то, что нам нужно. Этот недостающий элемент называется квантовая теория гравитации. Без нее мы не можем понять или предсказать какие-либо квантовые свойства гравитации. И прежде чем вы скажете: «А что, если их не существует?», знайте: это утверждение не нарисует непротиворечивой картины реальности.
Например, рассмотрим самый «исконно квантовый» из всех когда-либо проводившихся квантовых экспериментов: двухщелевой эксперимент. Если вы пропускаете одну квантовую частицу через установку и наблюдаете, через какую щель она проходит в момент прохождения, исход полностью детерминирован, так как частица ведет себя так, как будто она:
собиралась пройти,
проходит,
и прошла
через ту щель, через которую вы ее наблюдали, на каждом этапе пути.
Если этой частицей был электрон, вы могли бы определить, каковы были его электрическое и магнитное поля на протяжении всего его путешествия. Вы также могли бы определить, каково было его гравитационное поле (или, что эквивалентно, каково было его влияние на кривизну пространства-времени) в каждый момент времени.
Но что, если вы не наблюдаете, через какую щель он проходит? Теперь положение электрона не определено до тех пор, пока он не достигнет экрана, и только тогда вы сможете определить, «где» он находится. На протяжении его пути, даже после того, как вы сделаете это критически важное измерение, его прошлая траектория не является полностью определенной.
Благодаря мощи квантовой теории поля (для электромагнетизма) мы можем определить, каково было его электрическое поле. Но поскольку у нас пока нет квантовой теории гравитации, мы не сможем определить его гравитационное поле или эффекты этого поля. В этом смысле (а также на малых, богатых квантовыми флуктуациями масштабах или в сингулярностях, где классическая ОТО дает лишь бессмысленные ответы) мы не до конца понимаем гравитацию.
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, можно измерить различными способами. Эффект Казимира, например, позволяет нам измерить влияние электромагнитного взаимодействия через пустое пространство в различных установках, просто изменяя конфигурацию пластин. Расширение Вселенной, если мы измеряем его на протяжении всей нашей космической истории, раскрывает нам совокупный вклад всех сил в нулевую энергию пространства: квантовый вакуум.
Об эффекте Казимира (комментарий avshkol)
Согласно квантовой теории поля, даже в идеальном вакууме постоянно рождаются и исчезают так называемые «виртуальные» электромагнитные волны (фотоны). Они создают своего рода фоновое «давление» со всех сторон. Кстати то, что свет оказывает давление, экспериментально доказал и впервые измерил давление света русский физик Пётр Николаевич Лебедев в 1899 году.
Представьте две идеально гладкие, незаряженные металлические пластины, помещенные в вакуум очень близко друг к другу (на расстоянии в несколько микрометров или нанометров). Снаружи пластин могут существовать электромагнитные волны любой длины. Они «толкают» пластины с внешней стороны. Между пластинами ситуация иная: между пластинами могут существовать только те волны, которые «помещаются» в этот зазор. Длинные волны туда просто не влезают.
Поскольку снаружи пластин всевозможных волн (фотонов и, следовательно, «давления») больше, чем между пластинами, возникает разница давлений, и она толкает пластины друг к другу. Это и есть эффект Казимира. (Хендрик Бругт Герхард Казимир, 1909–2000 был физиком-теоретиком, в 1948г. математически показал, что квантовые флуктуации вакуума создают измеримую силу притяжения между проводящими пластинами).
Если мы изменим расстояние между пластинами, или заменим одну из пластин, к примеру, на сферу, мы изменим «правила» того, какие волны могут поместиться внутри этой новой геометрии. Это изменит разницу давлений и, соответственно, величину силы притяжения.
Но можем ли мы каким-либо образом количественно оценить квантовый вклад гравитации в квантовый вакуум?
Ни единого шанса. Мы не понимаем, как рассчитать поведение гравитации в самых разных областях:
при высоких энергиях,
на малых масштабах,
вблизи сингулярностей,
или когда квантовые частицы проявляют свою исконно квантовую, неопределенную природу.
Точно так же мы не понимаем, как вообще ведет себя квантовое поле, лежащее в основе гравитации, если таковое существует, при каких-либо обстоятельствах. Вот почему мы не должны оставлять попытки понять гравитацию на более фундаментальном уровне, даже если каждый вариант пути, который мы активно исследуем сейчас, в конечном итоге окажется тупиковым. Нам действительно удалось выявить ключевую проблему, которую необходимо решить, чтобы продвинуть физику вперед за ее нынешние пределы: само по себе это огромное достижение, которое никогда не следует недооценивать. Единственный вариант, который у нас есть — продолжать пытаться, что и является сутью занятия наукой, либо сдаться. Даже если все наши попытки в конечном итоге окажутся тщетными, это лучше, чем гарантированно получить провал, даже не предприняв искренней, настойчивой попытки добиться успеха.
Эта статья была впервые опубликована в сентябре 2022 года. Она была обновлена в марте 2026 года.
Дополнительно: см. перевод avshkol фундаментальной работы 1995 года физика Криса Ишема
Теории квантовой гравитации на сегодняшний день, пожалуй, самая сложная для понимания и неоднозначная с точки зрения достоверности и проверяемости ветвь современной физики. Это попытка соединить непрерывную общую теорию относительности, описывающую гравитационные поля и волны, с дискретной квантовой физикой, исходя из предположения квантования (существования минимальной единицы) пространства-времени.
Представляю вам перевод на русский язык фундаментальной работы 1995 года физика Криса Ишема, не потерявшей актуальность и в наши дни, где он подробно и относительно простым языком анализирует проблемы квантовой гравитации, существующие теории, их достоинства и недостатки. Это прекрасное введение в квантовую гравитацию, в область знаний, которая бросает дерзкий вызов нашей логике и интуиции, нашему интеллекту...