Почему гравитация не вписывается в квантовую теорию?

Прежде чем вы начнете читать, я хочу отметить, что я, вероятно, не так много знаю о квантовой теории, как вы, ребята, хотя мне нравится узнавать о ней, поэтому я бы предпочел объяснения в относительно простых терминах.

Недавно я читал статью о квантовой теории и теории струн, в которой говорилось следующее:

Прошло восемь десятилетий с тех пор, как физики осознали, что теории квантовой механики и гравитации несовместимы , и загадка, как их объединить, остается нерешенной.

Почему гравитация не вписывается в квантовую механику? Что бы отличало его от других сил?

Возможные дубликаты: physics.stackexchange.com/q/387/2451 и ссылки в нем.
Короткий ответ: это очень техническое, и я не знаю никакого простого, интуитивно понятного объяснения.
Основная причина, по которой гравитация не вписывается в число других сил, заключается в том, что это не сила, даже на классической картине. Гравитация вызывает ускорение, а для тел в свободном падении оно даже не заметно в первом порядке из-за принципа эквивалентности. Последствия этого глубоки. Во-первых, в отличие от электромагнетизма, гравитация не является линейной теорией. Эффекты зарядов не просто складываются, как в случае с другими силами.
Вы действительно имеете в виду КМ и гравитацию или КМ и относительность?
побочный ответ , есть проблемы с масштабом. В своем масштабе (несколько микрон до вселенной) гравитация показывает сложность, которая не проявляется с тремя силами в их собственных масштабах. Гравитация может быть квантована, но, вероятно, что-то должно развиваться вместе с тремя силами, даже если теория эффективна в их обычных масштабах применения.
Любопытный: Вы указываете, что это вина Эйнштейна, потому что именно он избавился от силы и заменил ее искривлением пространства :). Как то, что само по себе не является силой, может быть объединено с другими силами. Ну, я бы по-прежнему считал гравитацию силой. Изгиб может быть частью механизма действия силы.
@kpv: Гравитация была ускорением даже во времена Ньютона. Галилей уже заметил сильный принцип эквивалентности, и если вы посмотрите на ньютоновскую механику, то нигде мы на самом деле не выражаем, что инерционная масса и гравитирующая масса могут быть разными. Мы пишем гравитацию как силу, чтобы наши не очень способные студенты не заблудились, но это почти единственная разумная причина, почему мы это делаем. Феноменология даже слабой гравитации не поддерживает ее характеристику как силы.
CuriousOne: Я имею в виду, что где-то есть сила. Это может быть сущность/свойство, искривляющее пространство в присутствии массы/энергии. Я недостаточно осведомлен, чтобы понять действие/ускорение/изгиб и т. д. без агента. Когда я говорю сила, я имею в виду тот агент в его наиболее фундаментальной форме, которому нельзя приписать никакую другую причину.
Вы можете думать о гравитации либо как о силе (опосредованной обменом гравитонов), либо как о чисто геометрической теории, точно так же вы можете думать об электромагнетизме как о силе (опосредованной фотонами) или как о геометрической теории. Единственная разница между этими двумя теориями заключается в том, что в случае ЭМ «искривляемое» пространство — это некое внутреннее пространство, а не пространство, в котором мы живем. Это также верно для многих квантовых теорий поля: существует картина «силы». и двойственная геометрическая картина.

Ответы (1)

Я собираюсь дать ответ, который не является полным, но, возможно, дает представление о том, почему гравитация отличается от других сил. Обратите внимание для экспертов, что я знаю, что я упрощаю в этом ответе, но ОП явно запросил ответ, направленный на простоту, я постараюсь указать на некоторые упрощения, которые я сделал в конце.

Электромагнетизм — классический пример хорошо управляемой силы, когда мы знаем, как обращаться с ней квантово-механически. Гравитация, с другой стороны, ведет себя, как известно, плохо.

Таким образом, вы можете задать свой вопрос по-другому: почему гравитация так сильно отличается от электромагнетизма?

Одна из причин (и это далеко не все) заключается в том, что электромагнетизм, в отличие от гравитации, подчиняется принципу суперпозиции. Если у меня есть два точечных заряда, вычислив электрическое поле двух зарядов, я могу просто сложить электрические поля, создаваемые каждым зарядом по отдельности, чтобы найти полное электрическое поле комбинации двух точечных зарядов.

Гравитация не такая. Если у меня есть две точечные массы (черные дыры) и я вычисляю их гравитационное поле по отдельности, я не могу просто объединить эти два поля, чтобы создать гравитационное поле двух масс вместе. Основная причина в том, что потому что Е "=" м с 2 тяготеет не только масса, но и энергия. Само гравитационное поле несет энергию. Таким образом, масса одной черной дыры создает гравитационное поле, но это поле имеет энергию, которая сама по себе является источником большего гравитационного поля и т. д. Когда у вас есть две точечные массы, существует энергия взаимодействия, так как массы притягиваются друг к другу, и что сама энергия взаимодействия изменяет гравитационное поле. Это становится очень сложным очень быстро! Тот факт, что все формы энергии и импульса, включая энергию, переносимую самим гравитационным полем, тяготеют, делает гравитацию более сложной, чем электромагнетизм.

Если немного углубиться в технические подробности, то из-за принципа суперпозиции (и некоторых других замечательных свойств, таких как инвариантность Пуанкэра) вы можете представить себе электромагнитное поле как состоящее из гармонических осцилляторов (по одному на каждую фурье-моду поля). Мы знаем, как квантовать гармонические осцилляторы! Для гравитации эта трактовка не работает из-за несостоятельности принципа суперпозиции. Теперь, когда гравитационные поля малы (имеется в виду, когда мала кривизна или действительно когда вы работаете на расстояниях, малых по сравнению с масштабом характеристической кривизны), вы можете попытаться аппроксимировать гравитационное поле как состоящее из гармонических осцилляторов. И это последовательная процедура, когда гравитационные поля слабы — это называется эффективной полевой теорией гравитации — хотя она обречена на провал, когда гравитационные поля становятся слишком сильными (на практике это означает, что кривизна велика). Именно здесь начинаются многие сложные проблемы с квантовой гравитацией.

Теперь, как я сказал, я определенно упрощаю, например, эксперты могут жаловаться, что (1) я использовал фразу «гравитационное поле», (2) что я говорил об энергии гравитационного поля и (3) как насчет Янга-Миллса, которая является примером теории, не подчиняющейся принципу суперпозиции, но пертурбативно перенормируемой, и, возможно, даже (4) действительно ли мы знаем, что теория эффективного поля гравитации работает, например, вблизи горизонтов черных дыр (а как насчет парадокс брандмауэра и комплементарность)? Все эти возражения (и, я уверен, другие) вполне обоснованы (за исключением, может быть, (1), но я не хочу начинать драку :)). Все, что я скажу, это то, что этот ответ просто предназначен для того, чтобы дать вам грубое интуитивное представление о некоторых трудностях, которые происходят - в этой истории есть намного больше.

Я просто закончу тем, что скажу, что более правильный ответ состоит в том, что гравитация опосредована полем со спином 2, тогда как электромагнетизм опосредован полем со спином 1. «Спин-2» — это то, что в конечном итоге делает гравитацию настолько отличной с точки зрения физики элементарных частиц.

Почему гравитация не вписывается в квантовую теорию?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v