Роль гравитации среди фундаментальных сил природы

Это великая история физики со времен Максвелла до наших дней. Максвелл нашел способ думать об электрических полях и магнитных полях как о аспектах одной вещи — электромагнитного поля. Ему было легко, потому что характеристическая энергия, имеющая отношение к их объединению, равна нулю — масса фотона.

Когда физики обнаружили, что нейтроны могут превращаться в протоны, а протоны в нейтроны, измерения энергий и импульсов участвующих частиц показали, что характерная масса составляет около 100 ГэВ. Ранние теории, использующие «константу Ферми», развалились, но Вайнберг, Глэшоу и Салам, используя идею Питера Хиггса, придумали хорошую теорию с бозонами W и Z. Они и фотон являются аспектами одного многомерного поля. ЭМ + слабые потом были унифицированы - после достаточной экспериментальной проверки, конечно.

Сильное взаимодействие стало рассматриваться как дело глюонов. Никто еще не объединил сильное взаимодействие с электрослабым. Диапазон энергий, участвующих в этом объединении, во много раз выше. Несмотря на большие исследовательские усилия с 1970-х годов, а также на то, что кварки и глюоны обычно считаются реальными, мы слишком мало знаем о том, как они объединяются с лептонами и электрослабыми взаимодействиями.

Ключевая идея заключается в том, что когда вибрирует что-то достаточно сложное, классическое или квантовое, разные виды колебаний могут сначала казаться одинаковыми, но обычно они объединяются или комбинируются таким образом, что приводят к качественно различным явлениям. Это расплывчатые, расплывчатые слова. Пример для иллюстрации: представьте два одинаковых маятника, расположенных рядом, с хлипкой резинкой или пружинкой, соединяющей их. Маятники могут начать раскачиваться с любой разной амплитудой или любой относительной фазой, но слабая пружина заставит их в конечном итоге раскачиваться вместе с одинаковыми амплитудами. Это самое низкое энергетическое состояние. В другом состоянии они качаются прямо противоположно, с одинаковыми амплитудами. Это состояние колеблется быстрее, и его легко перевести в самое низкое энергетическое состояние + отработанное тепло, звук, фотоны или что-то еще, что система избавляется от избыточной энергии.

С фотонами, W и Z - что это делает колебания? Никто не знает. На каком-то фундаментальном уровне что-то трясется в «ткани» пространства-времени. В некотором роде у него есть режим нулевой массы, когда все они колеблются вместе, а частота-время-длина волны равна основной константе скорости c. У него также есть моды с более высокой энергией, где это не так, а вместо этого волны характеризуются массами около 80 или 90 ГэВ. Кое-что в этих вибрациях связано с движением в противоположном направлении, подобно тому, как маятники качаются в противоположных направлениях.

Старая иллюстрация гравитации на резиновом листе — подделка. Пространство-время не имеет продольных колебаний (движения по поверхности), по крайней мере, это не согласуется ни с одной теорией. Вибрации и изгиб перпендикулярно поверхности (имеется в виду вдоль 4-го или более измерений за пределами нашего 3D) соответствуют гравитационным волнам и гравитационным полям, хотя и упускают суть. Гравитация за пределами сумасшедших мест, таких как черные дыры, в основном зависит от скорости времени. Эту концепцию трудно объяснить, не углубляясь в общую теорию относительности и дифференциальную геометрию. Если у кого-то есть секундомер, он обнаружит, что минута проходит за одну минуту, где бы он ни находился. Все дело в сравнении близлежащих точек пространства - у вас все происходит немного быстрее, как я вижу. Почитайте про "гравитационное красное смещение".

Написать$\psi=A sin(2\pi f t)$заключается в описании колебания. Это говорит нам о частоте и амплитуде, но не говорит нам, является ли это стальным болтом, висящим на веревке, буем, плавающим в море, или системой управления авионикой, которая стала нестабильной.

Чтобы попытаться понять, что вызывает вибрацию, вы могли бы также взять книгу по метафизике нью-эйджа. Даже заряд, старый добрый + и - электронов и кварков, остается загадкой, чем он является на самом деле . Какое-то сморщивание или топологический перекос основного вещества? Электромагнитные поля являются своего рода напряжением в этом материале? Мы можем только записать уравнения, описывающие общее поведение в виде волн.

Независимо от того, состоит ли пространство-время-энергия-материя из небольших перекрывающихся участков пространственно-мысленной массы, дрожащих жидких трехмерных мембран в многомерном пространстве, струн или М-бран, кто знает, все, на что способны физики (на данный момент) математически описывают симметрии, энергии и константы связи колебаний.

В большом (т.е. не квантовом) масштабе описание гравитации как свойства пространства-времени работает хорошо, и фактически это именно то, что делает Общая теория относительности. Проблема в том, что уравнение, описывающее кривизну пространства-времени, имеет вид:

где количество слева,$G_{ab}$, описывает кривизну и количество справа,$T_{ab}$, описывает материю, которая присутствует.

Проблема в том, что дело, т.е.$T_{ab}$, описывается Стандартной моделью, и мы знаем, что она квантуется. Таким образом, уравнение имеет неквантованный$G_{ab}$слева и квантованный$T_{ab}$справа, и приравнивание неквантованной величины к квантованной не имеет математического смысла.

Таким образом, хотя описание гравитации ОТО хорошо работает в больших масштабах, оно должно дать сбой в масштабах, где становятся важными квантовые эффекты. В этих масштабах гравитация должна быть квантована и описана некоторой теорией, которая включает Стандартную модель и общую теорию относительности как низкоэнергетические приближения.

Во-первых, стандартная модель не включает гравитацию, а только другие взаимодействия. Именно поиск единой теории взаимодействий и есть поиск теории, соединяющей стандартную модель с гравитацией.

Причиной гравитации является напряжение-энергия-импульс.$\Theta_{ab}$. Все, что имеет напряжение-энергию-импульс, создает гравитацию и ощущает гравитацию.

Общая теория относительности, которая представляет собой метрическую теорию, описывает гравитацию как искривление пространства-времени с помощью уравнений Гильберта Эйнштейна.$G_{ab} = 8 \pi G T_{ab}$, где$T_{ab}$есть напряжение-энергия-импульс только для материи и излучения. Гравитацию можно описать в альтернативных негеометрических формах. В полевом подходе к гравитации (впервые предложенном Фейнманом и Вайнбергом среди прочих) гравитация связана с гравитационным полем, связанным с квантами гравитации, которые мы называем гравитонами .

На макроскопическом уровне и для обычных приложений оба подхода, геометрический и негеометрический, дают одинаковые ответы и могут считаться в некоторой степени эквивалентными. Различия проявляются на квантовом уровне, где общая теория относительности не работает.

В заключение я хотел бы добавить, что, хотя гравитация широко считается фундаментальным взаимодействием, некоторые авторы предполагают, что она не является фундаментальной, а является производной от других взаимодействий. Такие подходы к гравитации обычно называют подходами «эмерджентной гравитации», и сегодня они активно исследуются.