Под квантованием мы подразумеваем то, что хотим описать объект не только как частицу, но и как волну. В классической физике мы обычно описываем объект — движущийся шар — как частицу с центром масс. Но если вы возьмете очень маленькие объекты с очень маленькими массами или энергиями, тогда вам следует принять во внимание, что они ведут себя скорее как волны.

Взаимодействие элементарных частиц

Один из главных уроков современной физики частиц — элементарные частицы следует описывать так же, как волны. Это значит, что, когда частицы взаимодействуют, они сталкиваются, интерферируют и затем продолжают свой путь, но все равно помнят, что перед этим они проинтерферировали. Такое взаимодействие мы называем квантовым. И так для обычных частиц или обычных фундаментальных взаимодействий — тех, которые мы хорошо понимаем: это либо сильные и слабые, либо электромагнитные взаимодействия. Они описываются как обмен калибровочными бозонами, то есть частицами, которые являются посредниками во взаимодействиях. Для электромагнетизма они называются фотоны — частицы, которые составляют свет; для сильных взаимодействий они называются глюоны. W- и Z-бозоны менее известны, они нужны для слабых взаимодействий.

Чтобы объяснить проще, сосредоточимся на сильных взаимодействиях. Их важное свойство состоит в том, что, когда вы наблюдаете их на все меньших дистанциях, на все более высоких энергиях, глюоны описываются так, будто они свободны и больше не взаимодействуют между собой (Герард ’т Хоофт и Мартинус Велтман, да и не только они, получили Нобелевскую премию за объяснение этого свойства). Таким образом, когда вы пытаетесь описать ядерные силы на крайне высоких энергиях, как в экспериментах на больших ускорителях, теория становится очень простой. Частицы описываются так, будто они вообще не взаимодействуют. Для физиков-теоретиков это просто мечта.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
52799 811
Квантовая гравитация

Константа взаимодействия

В гравитации есть некоторые сходства, но в целом подходы различаются. Сходство состоит в том, что если бы мы могли квантовать гравитацию, то должны были бы описать ее как обмен частицами, которые мы называем гравитонами. Как глюоны, они не обладают массой и распространяются со скоростью света. В этом отношении они очень похожи, но есть важное свойство гравитации, которое отличает ее от сильных взаимодействий. Оно связано с константой взаимодействия, описывающей силу взаимодействий частиц или полей: для гравитации даже на классическом уровне она зависит от масштаба, от энергии, с которой вы смотрите на взаимодействие. В более точных терминах константа взаимодействия связана с планковской массой, а та — с постоянной Ньютона, которую мы изучаем в школе. Кроме того, эта константа взаимодействия небезразмерна. Вважное следствие из этого факта: если вы будете испытывать гравитацию на все более и более высоких энергиях, гравитоны будут взаимодействовать все сильнее и сильнее.

Взаимодействия оказываются настолько сильны, что в уравнениях дают бесконечность, а вы просто не можете придать им смысл. Строго говоря, бесконечности появлялись также и в уравнениях для сильных взаимодействий, но в том случае мы смогли от них избавиться: существуют определенные техники, которые для сильных взаимодействий сработали, но для гравитации не работают совсем.

Хорошая новость состоит в том, что если подойти с другой стороны и посмотреть на гравитацию на очень низких энергиях, на очень больших расстояниях, тогда гравитация взаимодействует крайне слабо. То, что гравитация на самом деле самое слабое взаимодействие из всех, кажется странным, ведь это первое взаимодействие, с которыми мы сталкиваемся. Когда в детстве мы учимся ходить и падаем, мы переживаем эффект именно этого фундаментального взаимодействия. Другое важное свойство гравитации состоит в том, что она кумулятивна. То есть эффект, который создают все частицы во Вселенной, складывается, тогда как для электромагнетизма есть положительный заряд, отрицательный заряд, они компенсируют друг друга. Чтобы заметить электромагнетизм, вам нужен электростатический эффект.

Рекомендуем по этой теме:
FAQ
Что такое гравитон?

Открытые вопросы квантования гравитации

Когда мы, физики-теоретики, пытаемся квантовать гравитацию так же, как мы это делали с сильными взаимодействиями, мы видим, что она становится все сильнее и сильнее. Это значит, что мы только отчасти можем квантовать гравитацию обычными методами, и это вызывает проблемы. Это один из самых крупных вопросов XXI, если не XXII века, и, как и в случае с любой научной проблемой, нам нужно продвигаться дальше и смотреть, что с этим можно сделать.

Попытаться квантовать гравитацию — значит зайти глубже этой проблемы, и для этого было предложено несколько идей. Из популярной науки вы могли слышать множество теорий. Самая известная из них — теория струн, у которой есть многообещающие аспекты, но есть и свои проблемы. Другая, тоже относительно популярная, — это петлевая квантовая гравитация. Есть и другие идеи, например, консервативная теория, предложенная Вейнбергом, которая называется «асимптотически безопасная гравитация». Она признает, что гравитация действительно взаимодействует очень сильно, когда вы доходите до высоких энергий, и нам нужно просто принять это и двигаться дальше. И даже такой подход к этой проблеме вполне возможен.

Эта статья была опубликована в рамках проекта Serious Science, созданного командой ПостНауки. Здесь можно посмотреть оригинальную версию лекции.