Существуют ли гравитационные волны на квантовом уровне?

Общая теория относительности предсказывает гравитационные волны. Если субатомные частицы вызывают полное меню гравитационных эффектов, они должны согласовываться с принципом эквивалентности, важным следствием гравитации. По словам самого Эйнштейна:

... закон равенства инертной и гравитационной масс эквивалентен утверждению, что ускорение, сообщаемое телу гравитационным полем, не зависит от природы тела. Для уравнения движения Ньютона в гравитационном поле, записанного полностью, это:

(Инерционная масса)⋄(Ускорение) = (Напряженность гравитационного поля)⋄(Гравитационная масса).

Только при численном равенстве между инертной и гравитационной массами ускорение не зависит от природы тела.

_{(из статьи Википедии о принципе эквивалентности )}

Были проведены эксперименты, которые, по-видимому, подтверждают, что гравитационные поля воздействуют на субатомные частицы. Но теория квантовой гравитации не согласуется с общей теорией относительности , если принцип эквивалентности не выполняется и на квантовом уровне.

Статья, написанная Марио Рабиновичем, отставным исследователем SLAC, ставит под сомнение принцип эквивалентности на квантовом уровне. В документе утверждается, что «квантовая механика ... прямо нарушает строгий принцип эквивалентности, если только он не будет произвольно поддержан задним числом. Показано, что существуют жизненно важные области, в которых квантовая гравитация неприменима». В документе делается вывод, что: «Неизбежным разветвлением сильного принципа эквивалентности является то, что гравитация возникает исключительно из-за геометрии искривления пространства-времени, но на квантовом уровне это не так». ( https://arxiv.org/abs/physics/0608193 )

В статье Рабиновича говорится об экспериментах по интерференции нейтронов, как при свободном падении, так и в гравитационном поле, которые, по его словам, не поддерживают принцип эквивалентности. См. раздел 6 статьи.

Хотя принцип эквивалентности может не выполняться на квантовом уровне, гравитация влияет на субатомные частицы. В одном эксперименте, в котором использовались сверххолодные нейтроны, было обнаружено, что на фазу волновой функции нейтрона влияет гравитация ( Гринбергер, Д.М.; Оверхаузер, А.В. Роль гравитации в квантовой теории; Scientific American, том 242, май 1980 г., стр. 66). 76 ). В другом эксперименте сверххолодные нейтроны отражались от твердой поверхности и было обнаружено, что они «чувствительны к гравитационным силам» ( https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2009.05.131 ). К сожалению, эта статья находится за платной стеной.

Вот ссылка на статью, в которой анализируется второй эксперимент и обнаруживаются доказательства квантового эффекта, вызванного гравитацией: https://faculty.csbsju.edu/frioux/neutron/neutron.htm . В работу включено описание со схемами эксперимента. Хотя принцип эквивалентности не упоминается, автор цитирует эксперимент как «прямое свидетельство квантованных гравитационных состояний».

На субатомные частицы действует гравитация, но тяготеют ли они сами и способны ли они создавать гравитационные волны? Насколько мне известно, в настоящее время убедительных доказательств этому нет.

Струнные теории квантуют гравитацию и стремятся к модели единой теории с тремя другими взаимодействиями, которые хорошо описываются стандартной моделью элементарных частиц.

В физике теория струн — это теоретическая основа, в которой точечные частицы физики элементарных частиц заменены одномерными объектами, называемыми струнами. Теория струн описывает, как эти струны распространяются в пространстве и взаимодействуют друг с другом. На масштабах расстояний, превышающих масштаб струны, струна выглядит как обычная частица, масса, заряд и другие свойства которой определяются колебательным состоянием струны. В теории струн одно из колебательных состояний струны соответствует гравитону, квантовомеханической частице, несущей гравитационную силу. Таким образом, теория струн — это теория квантовой гравитации.

Пока не существует такой струнной модели, которая должна содержать стандартную модель и расширения, объясняющие расхождения (такие как CP-нарушение и барион-антибарионная асимметрия) из-за большого количества возможных моделей.

Одна из проблем теории струн заключается в том, что полная теория еще не имеет удовлетворительного определения во всех обстоятельствах. Другая проблема заключается в том, что эта теория, как считается, описывает огромный ландшафт возможных вселенных, и это осложняет усилия по разработке теорий физики элементарных частиц, основанных на теории струн.

Тем не менее, гравитон будет существовать в любой струнной модели и будет представлен в эквивалентной теории поля. Таким образом, подобно тому, как классические электромагнитные волны возникают в результате слияния фотонов и вообще классические поля из квантово-механических операторов, можно было бы ожидать, что гравитационные волны естественным образом возникнут в результате слияния гравитонов.

В этой области ведется активная исследовательская работа.

В дополнение к описанию Эрни экспериментальных свидетельств (и некоторых теоретических свидетельств) того, что гравитация должна быть в конечном счете «квантовой» по своей природе, есть дополнительные теоретические аргументы в пользу того, что гравитационные волны (которые, как сказал Эрни, четко предсказываются общей теорией относительности, даже если мы не которые еще не наблюдали) должны соответствовать некоторым микроскопическим квантам (аналогично тому, как электромагнитные волны соответствуют фотонам).

Можно было бы предположить, что окончательное разрешение противоречий между общей теорией относительности и квантовой механикой заключается в том, что гравитация в конечном счете является классической. Это обычно называют полуклассической гравитацией., но квазиклассическая гравитация имеет по крайней мере одну серьезную логическую проблему (которая упоминается в статье в Википедии), которая состоит в том, что суперпозиции больших масс будут источником гравитационных потенциалов, как если бы они были размыты в соответствии с волновой функцией массы, но измерение вызовет неверный результат. - локальный коллапс и заставить материю «исчезнуть» из одной из двух точек, что, хотя и не имеет большого значения с точки зрения квантовой механики, заставило бы тензор энергии-импульса, являющийся источником классической гравитации, нарушить локальное сохранение энергии-импульса, что более важно. не просто приятное свойство ОТО, а скорее необходимое для полной инвариантности ОТО к диффеоморфизмам. Поэтому, если вы попытаетесь иметь дело с материей с тензором энергии-импульса, который нарушает локальный закон сохранения энергии-импульса, вы получите систему, которая Физика физики зависит от того, в какой системе координат вы ее запишете, что является одним из фундаментальных предположений, лежащих в основе ОТО. (Хотя, строго говоря, есть способ обойти всю проблему, предполагая, что многомировая интерпретация КМ верна и физического коллапса волновой функции просто не существует. Тогда это означало бы, что параллельные вселенные испытывают гравитацию друг друга, что, по крайней мере, было бы проверяемое предсказание, хотя это далеко не единственная проблема логической непротиворечивости квазиклассической гравитации.) Другая проблема заключается в том, что квазиклассический формализм требует поверхности Коши начальных условий или, другими словами, временного среза рассматриваемого пространства-времени, что в некотором роде равносильно к построению глобальной переменной времени и несколько неестественно в ОТО (и склонны к логическим проблемам).

Конечно, более «квантовый» способ решить проблему состоит в том, чтобы сказать, что сама геометрия пространства-времени создает суперпозицию, соответствующую двум возможным положениям массы. Это означает, что метрика должна описываться каким-то квантовым оператором, а квантовые волны должны иметь связанные с ними микроскопические кванты (я говорю «существенно», потому что существуют такие вещи, как конформные теории поля, в которых нет частиц, но они не является прямым описанием какой-либо фундаментальной физики, в основном обычных квантовых систем в критических точках, таких как фазовые переходы). Кроме того, есть некоторые основания полагать , что сам гравитон не может быть составной частицей, что исключает более косвенное или эмерджентное описание гравитации.