Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Infinities: Why Einstein and the Quanta Don’t Get Along / Бесконечность: Почему Эйнштейн и кванты не ладят

Теория общей относительности Эйнштейна, которая объясняет гравитацию, также хорошо помогает объяснить вселенную в масштабах космоса.

Квантовая физика проделывает великолепную работу по объяснению вселенной в масштабах атома или даже ещё меньшем. В промежутке между этими масштабами обычно правит старая добрая классическая физика.

К сожалению, некоторые задачи, выдвигаемые общей относительностью и квантовой физикой, противоречивы и приводят к математической бесконечности в уравнениях.

Бесконечность, по существу - абстрактное число, которое больше любых других чисел. И хотя некоторым персонажам мультфильмов нравится стремится "В бесконечность и дальше", учёные не хотели бы видеть математические уравнения, приводящие к бесконечности.

Бесконечности возникают в квантовой физике, но физики разработали математические методы, чтобы смягчать их во многих из этих случаев, так что результаты сопоставимы с экспериментами. В некоторых случаях, однако, эти методы не применяются.

Так как физики никогда не станут свидетелями настоящей бесконечности в природе, данные трудности мотивируют поиск квантовой гравитации.

Каждая из теорий прекрасно работает сама по себе, но когда вы попадаете в области, где обеим есть что сказать особенного об одном и том же - таком что происходит на границе чёрной дыры - всё становится очень сложным.

Квантовые флуктуации делают различие между внутренней и внешней стороной чёрной дыры нечётким, а общая относительность нуждается, чтобы это различие работало как следует. Теория сама по себе тоже не может полностью объяснить, что же происходит в этих конкретных случаях.

Это суть того, почему физикам нужна теория квантовой гравитации. С современными теориями вы получаете ситуации, не имеющие смысла.

Физики не видят бесконечности, но как вы узнаете, теория относительности и квантовая физика указывают, что она должна существовать.

Согласование этой необычной области, находящейся меж двух огней, когда ни одна из теорий не может полностью описать происходящее, является целью квантовой гравитации.

Сингулярности: искривление гравитации до предела.

Так как материя вызывает искривление пространства-времени, втискивание большого количества материи в очень маленькое пространство вызывает большое искривление пространства-времени.

По сути, некоторые решения уравнений общей относительности Эйнштейна показывают ситуации, когда пространство-время искривляется бесконечное количество раз. Это называется сингулярностью.

В частности, пространственно-временная сингулярность появляется в математических уравнениях в двух случаях:

* во время раннего периода большого взрыва в истории вселенной
* внутри чёрных дыр

Эти темы подробно описаны в Главе 9, но обе ситуации включают концентрацию материи (много материи в маленьком пространстве), что достаточно, чтобы вызвать проблемы с гладкой геометрией пространства-времени, от которой зависит относительность.

Эти сингулярности обозначают места, в которых общая теория относительности полностью разрушается.

Даже разговаривать о том, что происходит в этом месте, становится бессмысленным, поэтому физикам необходимо уточнить теорию гравитации, чтобы включить правила того, как предметно говорить об этих ситуациях.

Некоторые считают, что проблема может быть решена при помощи изменения теории гравитации Эйнштейна (как вы увидите в Главе 19).

Струнные теоретики обычно не хотят модифицировать гравитацию (по крайней мере на энергетические уровни учёные смотрят нормально); они только хотят создать структуру, которая позволяет гравитации работать без обращений к математическим (и физическим) бесконечностям.

Квантовые колебания: пространство-время под квантовым микроскопом.

Вторым типом бесконечности, предложенным Джоном Уилером в 1955 году, является квантовая пена или, как её называют струнные теоретики и автор бестселлеров Брайан Грин, квантовые колебания.

Квантовые эффекты означают, что пространство-время при очень малых масштабах расстояния (называемых длиной Планка) является хаотичным морем виртуальных частиц, которые создаются и разрушаются.

На этих уровнях, пространство-время определённо не гладкое, как предполагает относительность, а представляет собой запутанную паутину экстремальных и случайных энергетических флуктуаций, как показано на Рисунке 2-1.

Рисунок 2-1: Если вы достаточно увеличите пространство-время, то хаотическая "квантовая пена" может существовать.

Основой для квантовых колебаний является принцип неопределённости, один из ключевых (и самых необычных) черт квантовой физики.

Это объясняется более детально в Главе 7, но ключевой компонент принципа неопределённости в том, что определённые пары величин - например, положение и скорость, или время и энергия - связаны друг с другом так, что чем более точно измеряется одна, тем неопределённее будет другая величина.

Впрочем, это не просто формулировка об измерении, а фундаментальная неопределённость в природе!

Другими словами, природа немного "размыта" в соответствии с квантовой физикой. Эта размытость видна только на очень маленьких расстояниях, но эта трудность создаёт квантовую пену.

Один из примеров размытости приходит в форме виртуальных частиц. Согласно квантовой теории поля (в теории поля каждая точка в пространстве имеет определённое значение, похожее на гравитационное или электромагнитное поле), даже пустота в пространстве обладает небольшой энергией, связанной с ним.

Эта энергия может быть использована, очень недолго, чтобы привести к появлению пары частиц - если быть точным, частицы и её античастицы.

Частицы существуют только мгновение, а затем уничтожают друг друга. Это как если бы они заимствовали достаточно энергии у вселенной, чтобы просуществовать несколько долей секунды.

Проблема в том, что когда вы смотрите на пространство-время в очень маленьких масштабах, воздействия этих виртуальных частиц становятся очень важными.

Флуктуации энергии, предсказанные принципом неопределённости, принимают крупные размеры. Без квантовой теории гравитации нет никакого способа, чтобы действительно понять, что происходит, когда размеры настолько малы.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145076

Переводчики: Eva_tj, cosinus