Почему общую теорию относительности пытаются объединить с квантовой физикой и что уже известно.
Две успешные теории
Общая теория относительности описывает гравитацию как геометрию пространства-времени и отлично работает для планет, звёзд и космологии. Квантовая теория описывает микромир и три другие фундаментальные силы. В обычных условиях их области почти не конфликтуют.
Проблема возникает там, где одновременно важны огромная плотность и квантовые масштабы: вблизи классической сингулярности чёрной дыры и в самых ранних состояниях Вселенной. Простое применение обеих теорий даёт неполное описание.
Кандидаты, а не готовый ответ
Теория струн заменяет точечные объекты одномерными возбуждениями и естественно включает квант гравитации. Петлевая квантовая гравитация пытается квантовать саму геометрию. Исследуются также причинные множества, асимптотическая безопасность и другие подходы.
Ни один вариант пока не стал подтверждённой полной теорией. Гравитон — полезное понятие в приближённом квантовом описании, но отдельный гравитон экспериментально не зарегистрирован. Гравитационные волны сами по себе являются предсказанием классической относительности, а не доказательством квантовой гравитации.
Как можно проверить
Ищут следы в космологии, физике чёрных дыр и очень точных экспериментах. Планковский масштаб недостижим прямым ускорителем, поэтому решающими могут стать косвенные эффекты. Научная честность здесь требует отделять математическую согласованность от наблюдательного подтверждения.
Почему обычной квантовой теории поля недостаточно
Проблема проявляется не просто при «очень большой энергии». В общей теории относительности геометрия пространства-времени сама является динамической величиной, тогда как стандартные квантовые расчёты обычно строятся на заранее заданном фоне. При попытке описать квантовые флуктуации самой геометрии привычная процедура перенормировки не даёт конечной предсказательной теории на всех масштабах. Поэтому эффективное квантовое описание гравитации полезно при умеренных энергиях, но не заменяет фундаментальную теорию.
Если пытаться квантовать гравитацию теми же возмущительными методами, что электромагнетизм, на высоких энергиях появляются бесконечно многие параметры. Как эффективная теория при невысоких энергиях квантовая гравитация всё же работает и даёт контролируемые малые поправки. Нужна более фундаментальная формулировка для экстремальных масштабов.
Чёрные дыры как испытание
Квантовая теория поля на искривлённом фоне приводит к излучению Хокинга и термодинамике чёрных дыр. Возникает информационный парадокс: как согласовать испарение с сохранением квантовой информации. Разные подходы предлагают решения, но прямого наблюдения излучения астрофизической чёрной дыры пока нет.
Космология
Квантовые флуктуации в ранней Вселенной могли стать семенами наблюдаемой структуры. Однако инфляционные модели и конкретная квантовая гравитация — не одно и то же. Наблюдения реликтового излучения проверяют спектр флуктуаций и возможные первичные гравитационные волны, но не выбирают автоматически между струнами и петлями.
Предел утверждений
Нет подтверждения, что пространство обязательно состоит из дискретных «атомов», что дополнительные измерения физически существуют или что сингулярности уже устранены. Полезно перечислять достижения математических программ вместе с тем, какие наблюдаемые предсказания ещё отсутствуют.
