Квантова теорія тяжіння - Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія
Квантова теорія тяжіння

КВА́НТОВА ТЕО́РІЯ ТЯЖІ́ННЯ – фізична теорія, що враховує квантові властивості гравітаційного поля при його взаємодії з матеріальними об’єктами (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 від’ємною (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. об’єктів, де гравітац. взаємодія є головною. У сфері інтересів К. т. т. лежить новий напрям у космологіїквантова 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 розв’язати 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. пов’язані 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.

Літ.: Де Витт Б. Квантовая гравитация: новый синтез / Пер. с англ. // Общая теория относительности: Сб. науч. тр. Москва, 1983; Хокинг С. Интегралы по траекториям в приложении к квантовой гравитации / Пер. с англ. // Там само; Каку М. Введение в теорию суперструн / Пер. с англ. Москва, 1999; Хокинг С., Пенроуз Р. Природа пространства и времени / Пер. с англ. С.-Петербург, 2007.

В. Є. Кузьмичов

Стаття оновлена: 2012