В ноябре 2015 года исполнится 100 лет с открытия теории относительности

// // Научно-популярные материалы //

В крупных масштабах Вселенной гравитация прекрасно описывается классической общей теорией относительности. Однако в микромире классические теории не работают-там действуют законы квантовой механики. Существуют квантовые теории всех фундаментальных взаимодействий (электромагнитного, слабого и сильного), а вот с квантовой гравитацией пока наблюдаются большие проблемы.

В ноябре 2015 года физики будут отмечать столетний юбилей теории тяготения Эйнштейна, более известной как ОТО (общая теория относительности). Она с самого начала никак не пересекалась с зарождавшейся в те же годы квантовой механикой и остается классической по сей день. Физики начала XX века ожидали совсем иного. Эйнштейн уже 1916 году предсказал появление квантовой теории гравитации. В 1929 году Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули опубликовали квантовую теорию свободного электромагнитного поля. В своей статье они выразили уверенность, что на основе тех же принципов можно будет без больших проблем прокеантовать и гравитационное поле. Сейчас их оптимизм может вызвать улыбку, но тогда он казался естественным. И только в 1935 году советский физик Матвей Бронштейн первым осознал, что любое объединение гравитации с квантами потребует очень глубокого пересмотра основных физических понятий.

Серьезные попытки объединения классической гравитации и квантовой теории начались во второй половине XX века и с тех пор ведутся весьма интенсивно. Однако квантовой теории гравитации все еще нет до сих пор (и в ближайшее время не ожидается). И это при том, что прочие фундаментальные взаимодействия, сильное, электромагнитное и слабое, уже давно удалось понять и описать на основе квантовой физики и специальной теории относительности, что привело к созданию Стандартной модели элементарных частиц, которую многие считают самой успешной фундаментальной теорией за всю историю физики.

Знаменитый американский физик Фримен Дайсон несколько лет назад даже высказал гипотезу, что гравитационное поле классично по своей природе и вообще не допускает квантового описания. Другие теоретики полагают, что на очень малых расстояниях квантовые эффекты исчезают, и физические процессы вновь обретают классический характер.

Эти сложности не случайны. Квантовая механика и квантовая теория поля принципиально отличаются от ОТО. Процессы, которыми они занимаются (например, превращения элементарных частиц), протекают в плоском пространстве-времени, которое существует само по себе, независимо от своего материального наполнения в виде тех же частиц и полей, квантами которых эти частицы являются. А вот искривленное пространство-время ОТО неразрывно связано с материей и энергией, которые меняют его геометрию и в результате изменяются сами. Привести эти две картины мира к одному знаменателю пока не удалось.

Эта фундаментальная проблема проявляется во многих обличьях. Возьмем, скажем, гравитационные волны, которые, согласно ОТО, непременно должны существовать. Они еще не обнаружены напрямую, но их существование имеет много косвенных подтверждений (например, обращающиеся вокруг друг друга нейтронные звезды испускают эти волны, теряют энергию и сближаются в точном соответствии с предсказаниями ОТО). Слабые гравитационные волны не так уж сложно проквантовать, и это давно сделано. Из этих вычислений следует, что должны существовать кванты тяготения, гравитоны, электрически нейтральные безмассовые частицы, спин которых вдвое больше спина световых квантов. Они должны быть сгустками энергии, только не электромагнитной, как фотоны, а гравитационной. Однако в ОТО само понятие энергии куда сложней, нежели в квантовой электродинамике, и попытки построить теорию взаимодействия гравитонов до сих пор успеха не принесли. Ситуация осложняется тем, что индивидуальные гравитоны, как их описывает теория, настолько слабо взаимодействуют с веществом, что их невозможно детектировать с помощью любых экспериментов, мыслимых не только сейчас, но и в ближайшем будущем.

Стандартная модель элементарных частиц оперирует двумя фундаментальными константами — скоростью света и постоянной Планка. Учет гравитации добавляет к ним ньютоновскую постоянную тяготения. Из этой тройки можно скомпоновать, как первым сделал Макс Планк, три новые постоянные с размерностью времени, длины и энергии (или, что то же самое, массы). В сферу планковского радиуса нельзя упрятать больше одной планковской единицы массы - возникнет черная дыра. Скорее всего, планковские единицы определяют естественные границы применимости современной физики, за которыми начинается область неизвестного.