Grawitacja kwantowa to ogólny termin na teorie, które próbują zjednoczyć grawitację z drugą podstawowe siły fizyki (które są już zunifikowane razem). Zasadniczo zawiera on jednostkę teoretyczną, grawiton, który jest wirtualną cząsteczką, która pośredniczy w sile grawitacji. To właśnie odróżnia grawitację kwantową od niektórych innych teorii ujednoliconego pola - chociaż w uczciwość, niektóre teorie, które są zazwyczaj klasyfikowane jako grawitacja kwantowa, niekoniecznie wymagają grawiton.
Co to jest Graviton?
Standardowy model mechaniki kwantowej (opracowany w latach 1970–1973) zakłada, że pozostałe trzy podstawowe siły fizyki są pośredniczone przez wirtualne bozony. Fotony pośredniczą w sile elektromagnetycznej, bozony W i Z pośredniczą w słabej sile jądrowej, a gluony (takie jak kwarki) mediuje silne siły jądrowe.
Dlatego grawiton pośredniczyłby w grawitacji. Jeśli zostanie znaleziony, oczekuje się, że grawiton będzie bezmasowy (ponieważ działa natychmiastowo na duże odległości) i ma spin 2 (ponieważ grawitacja jest polem tensorowym drugiego rzędu).
Czy udowodniono grawitację kwantową?
Głównym problemem w eksperymentalnym testowaniu dowolnej teorii grawitacji kwantowej jest to, że poziomy energii wymagane do obserwowania przypuszczeń są nieosiągalne w obecnych eksperymentach laboratoryjnych.
Nawet teoretycznie grawitacja kwantowa napotyka poważne problemy. Grawitacja jest obecnie wyjaśniona poprzez teoria ogólnej teorii względności, która przyjmuje bardzo różne założenia dotyczące wszechświata w skali makroskopowej niż te przyjęte przez mechanikę kwantową w skali mikroskopowej.
Próby ich połączenia generalnie napotykają na „problem renormalizacji”, w którym suma wszystkich sił nie znosi się i powoduje nieskończoną wartość. W elektrodynamice kwantowej zdarzało się to czasami, ale można było znormalizować matematykę, aby usunąć te problemy. Taka renormalizacja nie działa w kwantowej interpretacji grawitacji.
Założenia grawitacji kwantowej są na ogół takie, że taka teoria okaże się zarówno prosta, jak i elegancka, dlatego wielu fizyków próbuje pracować wstecz, przewidywanie teorii, która ich zdaniem może wyjaśniać symetrie obserwowane w obecnej fizyce, a następnie sprawdzanie, czy te teorie działają.
Niektóre ujednolicone teorie pola, które są klasyfikowane jako teorie grawitacji kwantowej, obejmują:
- Teoria strun / Teoria superstrun / M-teoria
- Supergrawitacja
- Pętla grawitacji kwantowej
- Teoria Twistora
- Geometria nieprzemienna
- Euklidesowa grawitacja kwantowa
- Równanie Wheelera-DeWitta
Oczywiście jest w pełni możliwe, że jeśli istnieje grawitacja kwantowa, nie będzie ona ani prosta, ani elegancka, w takim przypadku do tych prób podchodzi się z błędnymi założeniami i prawdopodobnie tak będzie niedokładny. Na pewno pokaże tylko czas i eksperymenty.
Możliwe jest również, jak przewidują niektóre z powyższych teorii, że zrozumienie grawitacji kwantowej nie jedynie skonsolidują teorie, ale raczej wprowadzą całkowicie nowe rozumienie przestrzeni i czas.
Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine