Квантова теорія тяжіння

КВА́НТОВА ТЕО́РІЯ ТЯЖІ́­Н­НЯ — фізична теорія, що враховує квантові властивості гравітаційного поля при його взаємодії з матеріальними обʼєктами (тілами та полями; див. Гравітація). Ін. назви: квант. теорія гравітації, квант. гравітація. Нині немає прямих екс­перим. доказів, які б одно­значно свідчили на користь того, що гравітац. взаємодію слід трактувати в рамках квант. теорії. Мова тут може йти лише про заг.-фіз. принципи та сучасні уявле­н­ня про квант. природу будь-якої взаємодії, зокрема й гравітаційної. Від­повід­но до сучас. уявлень, взаємодія між частинками та полями — це процес обміну віртуал. квантами (т. зв. калібрув. бозонами). Так, обмін фотонами (гамма-квантами) спричиняє електромагнітну взаємодію, їхнім джерелом є електрич. заряд. Обмін проміж. W- та Z-бозонами викликає слабку взаємодію, тоді як обмін глюонами між кварками, які входять до складу адронів (барионів та мезонів), забезпечує сильну взаємодію. Величина маси калібрув. бозона ви­значає радіус взаємодії. Скінчен. (ненульовій) масі від­повід­ає взаємодія зі скінчен. радіусом дії. Якщо ця маса дорівнює нулю (як у фотона), то радіус такої (електромагніт.) взаємодії є нескінчен­ним. Оскільки гравітац. взаємодія має нескінчен. радіус дії, то від­повід. носій, який отримав назву гравітона, повинен бути без­мас. частинкою. Джерелом гравітац. поля є маса, яка не може бути від­ʼємною (на від­міну від електрич. заряду). З цього випливає, що, по-перше, гравітац. поле може бути лише притягувальним, а, по-друге, най­простішим джерелом гравітонів є осцилюючий масив. квадруполь. Тому влас. кутовий момент (спін) гравітона дорівнює 2. Не­зважаючи на те, що донині гравітон у вільному стані не спо­стерігався, немає жодних сумнівів у тому, що такий квант гравітац. поля на­справді існує. Серед мотивацій необхідності квантува­н­ня гравітац. поля можна вказати такі: матерія побудована з елементар. частинок, які описують квант. теорією, з ін. боку, між ними від­бувається гравітац. взаємодія. Таким чином, без квант. опису гравітації не може бути досягнуте повне ро­зумі­н­ня фіз. процесів за участі полів і частинок. Роль квант. ефектів гравітації має бути сут­тєвою у гравітац. системах типу чорних дір та ін. обʼєктів, де гравітац. взаємодія є головною. У сфері інтересів К. т. т. лежить новий напрям у космології — квантова космологія. Квант. гравітація повин­на ві­ді­гравати вирішал. роль у фізиці дуже ран­нього Всесвіту. Тут вона має від­повісти на пита­н­ня походже­н­ня Всесвіту, пояснити, чому наш про­стір-час чотиривимірний, дати граничні умови для рівнянь заг. теорії від­носності. Очікується, що К. т. т. допоможе роз­вʼязати про­блему просторово-часових сингулярностей, які неминуче виникають у заг. теорії від­носності, якщо тензор енергії-імпульсу від­повід­ає фізично вмотивованим умовам позитивності. К. т. т. важлива для ро­зумі­н­ня кінц. стадії гравітаційно колапсуючої матерії. Першу спробу квантува­н­ня гравітації здійснив 1930 бельг. фізик Л. Ро­зенфельд. Він роз­рахував власну гравітац. енергію фотона у найнижчому порядку теорії збурень та виявив, що ця величина нескінчен­но велика, як і власна електромагнітна енергія електрона. Л. Ро­зенфельд зробив припуще­н­ня, що квант. властивості гравітації імовірно не дають спо­стережуваних ефектів доти, поки енергії не досягнуть величини порядку 10²⁸ електрон-вольт. Таким енергіям від­повід­ає т. зв. планків. довжина, яка дорівнює бл. 10^-33 см. 1950 амер. фізик Б.-С. Де Вітт узагальнив теорію Л. Ро­зенфельда, зробивши її лоренц- та калібрувально інваріантною. Дослідж. Б.-С. Де Вітта стимулювали роз­робле­н­ня методу ренормалізації в квантовій теорії поля, який роз­винули япон. фізик С. Томонага та амер. фізики Дж.-Ю. Швінґер і Р.-Ф. Фейнман. Цикл робіт цих вчених 1965 був удостоєний Нобелів. премії. Існують декілька під­ходів до квантува­н­ня гравітації. Квантува­н­ня заг. теорії від­носності перед­бачає квантува­н­ня метрич. тензора, який роз­глядають як спец. тип поля. При цьому під­ході роз­різняють 2 методи квантува­н­ня. Один метод ґрунтується на просторово-часовому під­ході до квант. теорії поля, в якому поля задають на чотиривимір. многовиді. При коваріант. квантуван­ні гравітац. поля за­стосовують ла­гранжів. формалізм, що до­зволяє зберегти очевидну релятивіст. коваріантність теорії. До цього класу теорій належить метод інте­грува­н­ня траєкторіями. В ін. під­ході використовують каноніч. формалізм, в якому поля ви­значають на тривимір. многовиді, що є фіз. простором. За допомогою цього під­ходу здійснюють побудову квант. геометродинаміки, осн. рівня­н­ня якої — рівня­н­ня Вілера–Де Вітта, узагальнює рівня­н­ня Шредінґера на випадок гравітац. поля з нескінчен. кількістю ступенів вільності (австр. фізик Е. Шредінґер роз­робив 1926 т. зв. хвильову механіку та довів її ідентичність матрич. варіанту квантової механіки). Ін. приклад теорії, що ґрунтується на каноніч. формалізмі, — т. зв. петельна (loop) квант. гравітація. З К. т. т. повʼязані т. зв. багатовимірні єдині теорії поля, зокрема теорія струн є однією із таких теорій і має за мету створе­н­ня єдиної квант. теорії всіх взаємодій. Роз­робляється також теорія не­гравітац. квант. полів у викривленому просторі-часі. У такому під­ході гравітац. поле роз­глядають як класичне, а квантува­н­ня ін. полів здійснюють на його фоні.

Завантажити статтю