Квантовая петлевая гравитация: теория Ы не о гравитации.⁠⁠

В этом посте будет предпринята попытка более-менее понятным языком прояснить суть модной теории ПКГ, а так же показана реальная польза фундаментальных исследований. Для адекватного понимания написанного рекомендую прочитать предыдущие посты. Хотя бы чтоб не путаться с терминами.

Во-первых: петлевая квантовая гравитация это не теория о гравитации! Да, представьте себе. Если точнее, это теория не только о гравитации, а вообще обо всех взаимодействиях и ещё до кучи о… Впрочем, давайте начнём с начала – с самой гравитации

.

Подавляющее большинство людей знакомо с понятием гравитации хотя бы на уровне школьной физики и закона Ньютона: материальные тела притягиваются, сила притяжения зависит от массы и квадрата расстояния между этими массами. Однако мало кто задумывается о процессе притяжения и результатах воздействия гравитации с точки зрения самой материи и пространства, её содержащего.

Итак, представьте себе самую обычную, каждодневную ситуацию: пусть в абсолютно пустом пространстве (вакууме) у нас есть два идеальных сферических коня. На некотором расстоянии друг от друга, естественно. Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что эти два коня начнут притягиваться друг к другу. Пусть притягиваются, не будем им мешать. В результате действия гравитации кони будут ускоряться, то есть набирать скорость. Скорость, как мы знаем, соответствует такому понятию как кинетическая энергия, а значит, под действием гравитации кони эту самую кинетическую энергию будут приобретать. По ходу дела эти же кони будут уменьшать свою так называемую потенциальную энергию, которая тоже из курса школьной физики. По итогам воздействия гравитации идеальные сферические кони друг с другом всё-таки столкнутся, испытав соударение.

Но что есть соударение? Это упругое до определённой степени взаимодействие, приводящее к обмену кинетическими энергиями, а так же к возрастанию внутренней энергии (температуры) столкнувшихся тел на ту самую «неупругость» которая отличает абсолютно упругие тела от не абсолютно упругих. Если вернуться к нашим коням и допустить, что они хоть и идеальные, но всё-таки состоят из атомов, то идеальной упругости у них нет. Значит, часть энергии столкновения перейдёт в тепло, которое можно заметить по тепловому излучению. Конечно, после столкновения кони разлетятся на некоторое расстояние, при котором вся их кинетическая энергия опять не превратится в потенциальную.

Сомневающиеся в нагреве тел при воздействии на них механических ударов могут взять два урановых лома, постучать ими друг об друга, а затем проверить место соударения на нагрев. Только не берите ломы из 235-го, это слегка небезопасно.

Итак, цимес. Было: кони идеальные сферические две штуки, удалённые друг от друга. Стало: кони идеальные сферические, нагретые, удалённые друг от друга на меньшее расстояние. Ещё раз, для танкистов: результатом воздействия гравитации явилось рождение материи (тепловых фотонов), т.е. гравитация переводит расстояние между объектами в материю (энергия – тоже форма материи). Пространство по этим соображениям оказывается материальным само по себе даже без привязки к энергии вакуума. Да ну на хер, быть не может Интересно, ага?

Какие выводы из этого следует сделать, прежде всего.

1) Поскольку мы знаем про закон сохранения энергии (энергия не берётся из ниоткуда и не исчезает в никуда), получается, что само по себе пространство несёт в себе энергию, которая способна перейти в знакомый нам нагрев. А поскольку описанный выше процесс энергетически выгоден системе (обратный переход затруднён), привычная материя имеет меньше энергии, чем пространство без неё. Что тоже само по себе занимательно.

2) Антигравитация, как воздействие, обратное гравитации должна по итогам действия поглощать материю (энергию) и переводить её в расстояние.

Любопытно, не правда ли? Уже этих двух неспешных фактов достаточно, чтобы всерьёз попытаться понять природу гравитации.

Ближе к телу.

Как я указала в предыдущем посте, попытки квантования физических полей были очень даже обоснованы: успех в этой области означал бы подтверждение той математики, которая уже давно работает на макроуровне. Если электрон – не точка, то он не должен иметь бесконечную массу (как и протон или другие частицы). Гравитон, как частица пока что виртуальная (ещё не обнаружен), по результатам квантования тоже мог получить объяснение своей природы и, как следствие, раскрыть механику гравитации. В связи с этим большей частью исследование гравитации и попытки её квантования велись не как-то отдельно, а именно в рамках разработки общих теорий. То есть таких теорий, которые бы смогли объяснить вообще все поля, не только гравитационное.

Теория относительности в этом плане облажалась. Не то, чтобы она не смогла представить гравитационное поле, наоборот, подход был использован революционный. Однако в некоторых математических выражениях (а мы помним, что ОТО/СТО это прежде всего мат. модель) появлялись значения, которые просто не могли иметь физического смысла. Например, активно используемое понятие кривизны пространства-времени. Согласно расчётам эта самая кривизна при таком явлении как сингулярность превращалась в бесконечность, что, как бы, напрягало. Действительно, если рассматривать кривизну как меру ускорения, приобретаемого телом в точке пространства, то бесконечная кривизна означает бесконечное ускорение или бесконечную приобретаемую скорость за любое сколь угодно малое время. Т.е. даже за так называемое время Планка (минимальный масштаб времени, который вообще имеет физический смысл) тело должно было получить скорость выше скорости света. Что как бы намекает на внутреннюю несогласованность.

Квантовая теория поля (есть такая, только я про неё не рассказывала) в совокупности со Стандартной Моделью частиц не смогла справиться с гравитацией из-за предсказанного спина гравитона – внутренней характеристики, которая есть у каждой частицы. Все известные частицы имеют спин, кратный 0,5: -1,5; -1; -0,5; 0; 0,5; 1; 1,5. При построении квантовой теории поля этот факт позволил использовать хитрозадый приём под названием «перенормировка», устраняющий бесконечности в важных мат. уравнениях. Гравитон перенормировке не поддавался из-за спина, равного 2. Пиздец Фейл.

Теория струн и М-теория в этом плане справились на ура, если считать успехом следующее определение: «мы всегда можем найти хреналион вариантов мат. моделей, верно реализующих всю физику конкретно Вашей вселенной, только матан наш слабенький и мы не можем их конкретно отписать». Т.е. вроде как бы и вин, но писец подкрался фейл уже с другой стороны: приёмов математики не хватает! Для понимания ситуации, попробуйте взять кратный интеграл хотя бы по двум измерениям. И это у него ещё есть практический смысл! А теперь доведите количество измерений до 9, поставьте в него функцию девятого порядка (восемь типов производных) и рискните записать на бумаге вывод итога интегрирования. Подсказка: в очень хорошем случае это займёт 100-200 страниц убористых формул, несколько лет жизни и тонну-другую отборной травы.

Итак, сложность подхода М-теории стала некоторым препятствием для её активной разработки, но в то же время стимулировала альтернативные пути. ПКГ как раз является одной из таких альтернативщиков.

В чём общий смысл: пространство квантуется. Есть минимальные объёмы, меньше которых уже ничего нет. Тут ничего нового, ибо мы за этим и шли. ПКГ, конечно же, имеет собственный подход, но в чём-то он весьма похож на соседей. Мы берём минимальный объём и рассматриваем его как вершину математического графа (нет, не его превосходительства, гуглите про мат. графы сами). Если представить всё пространство состоящим из вершин этого графа, то возможные пути между вершинами – рёбра графа (господа патологоанатомы, хватит ржать) – будут возможными направлениями перехода из одной минимальной области в другую. Вы не можете гулять внутри одной дискретной области, ибо в крайнем случае займёте её всю. Не меньше. Вы не можете перейти в другую область иначе, как по разрешённому пути – ребру графа. Конкретные пути для переходов могут меняться во времени (и меняются), вершины могут совмещаться (и становиться одной) или разделяться.

При таком подходе любая частица может быть описана как некая область графа с определёнными параметрами (геометрическим видом), а отдельные свойства частиц, например, заряд электрона, будут топографическими сущностями (представьте на карте внутренность МКАД). Движение частиц будет описываться дискретным цепочечным перемещением характерной области в определённом направлении и с определёнными параметрами. Сами вершины графа при этом могут не перемещаться, а лишь «переключать» свойства, образуя как бы бегущую по цепи (пенке) область или волну. В этом плане ПКГ очень похожа на теорию струн, которая утверждала нечто подобное (частицы – перенос энергии по струне).

В чём смысл сакральный и почему именно петлевая. Дело в том, что изобретатели теории очень серьёзно подошли к одной из главных проблем всех указанных выше теорий: проблеме фона. В любой теории фон пространства подразумевался сам собой и активно использовался. Привычные x/y/z как координатные оси никуда не выкидывались, подразумевая, что если даже пространство состоит из квантов, эти самые кванты всё равно измеряются по ним, по осям. Итоговые выражения приходилось строить всё-таки с привязками, которые были бы трансформируемы в привычные координаты.

Авторы ПКГ решили сделать ход конём. Кое-кто посмотрел на уравнения Максвелла и не увидел в них координат пространства. Вместо этого в самих уравнениях используются координаты, «проложенные» в измерениях самого поля (полей). Если взять электрическое поле и нарисовать его силовые линии, то переходя от одной линии к другой, мы получим «измерение», привязанное к самому электрическому полю, а не к пространственным измерениям. Действительно, уравнения электродинамики выглядят хорошо, просто, стройно и лаконично без привязки к x/y/z. Мы можем записать уравнение электрического поля с нулевой энергией как уравнение петли, в которой силовая линия замкнута сама на себя.

Прорыв ПКГ относительно сего момента был в том, что точно такими же уравнениями петель можно было записать не только все известные поля, но и само пространство. Как ещё одно физическое поле. Без привязки к декартовой или иной системе координат. Понимаете, да? Минимальные области пространства – вершины графа в теории – не абы непонятно чем ограниченные объёмы, а вполне себе математически описываемые многомерные «петельки» конкретного физического поля, то есть носителя новой формы «материи» - пространственно-временной. Это не слабо корреллирует с первой частью поста про энергию пространства.

Вот тут я вынуждена сказать «Стоп».

Уважаемые, поймите правильно, ПКГ – теория очень молодая, а изложенные тут выводы появились каких-то десять лет назад. Проверки и конкретизации идут полным ходом, несогласованностей с теорией относительности и стандартной моделью так же хватает, работы ещё навалом. Например, один из выводов говорит о том, что скорость света должна зависеть от энергии самого света: гамма-кванты прилетают быстрее. Зависимость не сильная, проявляется на расстояниях в миллиарды световых лет, результаты соответствующего эксперимента мне пока не известны. Тем не менее, побед у теории много, в том числе устранение сингулярности как явления (внутри чёрных дыр нет сингулярности, в момент Большого Взрыва – тоже не было).

Теперь пара слов о практической стороне.

Подавляющая часть человеков считает занятие физикой не только заумным времяпрепровождением, но и мало-мало бесполезным: денег с него не получить, новых плюшек не видать, а когда будут – ещё бабушка надвое сказала.

В чём-то, конечно, это правильно, благо подобные исследования не дают прямой прибыли сразу, а иногда и вообще. Однако, каждое новое открытие в итоге влияет на нашу жизнь весьма серьёзным образом. Например, квантовый фотоэффект. Нобелевку по нему дали в 1923, спустя 84 года после первого наблюдения. А давно ли появились белые и синие светодиоды, вспомните? И это касается явления, по сути своей не такого уж сложного.

Что касается теорий гравитации или общих теорий всего, они могут дать представления о подходах к реализации таких «фантастических» проектов как:

Сверхсветовой двигатель. Читаем про кротовые норы, пузырь Алькубьерре, криптографическую связь на основе квантово-связанных частиц и прочие радости.

Антиграв. Тут тоже без пояснений, благо все понимают, что сие есть.

Вечный преобразователь а-ля «вечный двигатель». Получать энергию/вещество из пространства как такового – штука заманчивая.

Гиперсветовой двигатель. Позволит дойти до скоростей, которые за приемлемые сроки выведут нас за пределы Ланиакеи. Реализуется на основе эффектов, привязанных к ландшафту М-теории и по сути является переходным между просто сверхсветовым и гиперпространственным двигателем.

Гиперпространственный двигатель – в отличие от предыдущего позволяет так же перемещаться между вселенными.

Другие забавные плюшки.

Верится слабо, а большей частью не верится, однако стоит учесть, что вера в данном случае не применима к науке.

В качестве бонуса на закуску от девятихвостой: на реализацию первого сверхсветового двигателя человечеству потребуется не более 20 лет при условии, что оно будет им заниматься (а не фигнёй страдать каждый по отдельности).