Говорят, что мы не можем изучать квантовую гравитацию, потому что гравитация — слабое взаимодействие. Но гравитация и ускорение одинаковы. Почему мы не можем изучать квантовую гравитацию в сильно ускоренной системе отсчета?
Это классический случай двусмысленности. Слово «гравитация» используется в вопросе в двух связанных, но разных значениях:
Когда мы говорим, что «гравитация слаба», мы имеем в виду, что требуется много материала (например, материи), чтобы придать пространству-времени заметную кривизну.
Когда мы говорим, что «гравитация и ускорение — одно и то же», мы имеем в виду, что опыт стояния на поверхности земли локально неотличим от опыта ускорения (отталкивания от ног к голове) в плоском пространстве-времени. И наоборот, ощущение невесомости, которое вы испытываете при дрейфе в глубоком космосе, такое же, как ощущение свободного падения к поверхности земли без какого-либо сопротивления.
Различие между этими двумя значениями слова «гравитация» является ключом к ответу на вопрос. Мы всегда знали (по крайней мере, с тех пор, как я родился), как сформулировать квантовую физику в заданном пространственно-временном фоне, с кривизной или без нее, с ускорением или без него. Вот как первоначально было получено излучение Хокинга: с использованием заданного пространственно-временного фона. Когда люди говорят, что квантовая гравитация сложна, они имеют в виду не это. Трудная часть состоит в том, чтобы объяснить тот факт, что квантовый материал вызывает искривление пространства-времени. Такие вещи, как излучение Хокинга и эффект Унру, связаны с тем, что ускорение и/или кривизна пространства-времени делают с квантовыми вещами. Трудная часть квантовой гравитации — это понять обратное: что квантовый материал делает с искривлением пространства-времени.
Гравитация и ускорение не одно и то же. Локально (имеется в виду в достаточно небольшой области пространства и времени) невозможно различить эффекты равномерного ускорения и гравитации из-за принципа эквивалентности. Но на достаточно большом расстоянии можно заметить разницу. Например, двух людей на противоположных сторонах Земли тянет в противоположные стороны (оба к центру); вы не можете объяснить это одной ускоряющей системой отсчета, хотя вы можете определить две локальные системы отсчета возле каждого наблюдателя.
Вы можете изучать квантовую теорию поля в ускоренной системе отсчета; один из классических результатов состоит в том, что состояние, которое инерционный наблюдатель воспринимает как вакуум (отсутствие частиц), ускоренный наблюдатель видит как термальную ванну с частицами. Это известно как эффект Унру .
В соответствии с принципом эквивалентности вы можете использовать эффект Унру, чтобы понять излучение Хокинга локально вблизи горизонта событий черной дыры. Падающий наблюдатель видит состояние вакуума, в то время как наблюдатель, остающийся на фиксированном расстоянии рядом с черной дырой, но за ее пределами, видит тепловую ванну излучения, потому что они ускоряются относительно падающего наблюдателя. Эффекта Унру недостаточно, чтобы сказать, что увидит наблюдатель, асимптотически далекий от черной дыры, но полный расчет показывает, что излучение, наблюдаемое наблюдателем вблизи горизонта событий, распространяется в бесконечность (после красного смещения) и воспринимается как Хокинг. излучение. (По крайней мере, в «теории эффективного поля гравитации», но полная квантовая теория гравитации может изменить ситуацию).