Для многих физиков квантовая теория гравитации - это чаша святого Грааля, потому что всю физику, за исключением сил тяготения, прекрасно описано квантовыми законами. Примерно 80 лет назад квантовая механика была разработана для
описания частиц и сил в атомных и субатомных масштабах, при которых становятся существенными квантовые эффекты. В квантовых теориях у объектов нет определенных положений и скоростей, и все описано вероятностями и волнами, которые охватывают определенные области пространства. В квантовом мире все находится в постоянном движении: даже «пустой» пространство заполнено так называемыми виртуальными частицами, которые непрерывно возникают и исчезают.
Вместе с тем общая теория относительности (лучшая теория гравитации) принципиально классической (т.е. неквантовою). Великое творение Эйнштейна показывает, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, как оказываются в гравитационном поле. Общая теория относительности очень изящная и красивая, а многие ее предсказаний проверены с наибольшей точностью.
В классических теориях объекты имеют определенные положения и скорости, подобно планетам, вращающихся вокруг Солнца. Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривление пространства-времени и определить влияние тяжести на траектории рассматриваемых тел. Кроме того, пустой релятивистский пространство-время является идеально гладким независимо от того, насколько подробно его исследуют. Он представляет собой идеально ровную арену, на которой выступают вещество и энергия.
Проблема создания квантовой версии общей теории относительности не только в том, что в масштабе атомов и электронов у частиц нет определенных положений и скоростей. В еще меньших масштабах, сравнимых с длиной Планка (~ 10-35м), квантовый пространство-время должно представлять собой кипящую пену, море виртуальных частиц, заполняет все пустое пространство. В условиях, когда вещество и пространство-время настолько изменчивы, уравнения общей теории относительности теряют смысл. Если мы предположим, что вещество подчиняется законам квантовой механики, а гравитация подчиняется общей теории относительности, то получим математическую противоречие. Поэтому и необходима квантовая теория гравитации.
В большинстве ситуаций противоречивые требования квантовой механики и общей теории относительности не представляют проблемы, поскольку либо квантовые, или гравитационные эффекты оказываются настолько малыми, что ими можно пренебречь. Однако в случае сильного искривления пространства-времени становятся существенными квантовые аспекты гравитации. Чтобы создать большое искривление пространства-времени, нужна очень большая масса или значительная ее концентрация. Даже Солнце не способно настолько исказить пространство-время, чтобы проявления квантовых эффектов гравитации стали очевидными.
Хотя сегодня квантовые эффекты пренебрежимо малы, они играли важнейшую роль на начальных стадиях Большого взрыва. Ими же определяют процессы, происходящие в черных дырах. Поскольку гравитация связана с искривлением пространства-времени, квантовая теория гравитации теорией квантового пространства-времени. Она поможет физикам понять, из чего состоит пространственно-временная пена, упомянутая ранее.
Перспективный подход к квантовой теории гравитации - теория струн, которую физики-теоретики разрабатывают с 1970-х годов. С ее помощью удастся устранить некоторые препятствия, мешающие построить логически последовательную квантовую теорию гравитации. Однако теория струн все еще в стадии разработки: физикам пока неизвестны ни ее точные уравнения, ни фундаментальные принципы, определяющие их форму. Кроме того, есть целый ряд физических величин, значение которых невозможно вывести из имеющихся уравнений.
Представьте две копии кинофильма: одна на рулонах 70-миллиметровой пленки, другая - на DVD. В первом случае мы имеем дело с целлулоидной кинолентой, каждый кадр которой можно легко соотнести с тем или иным эпизодом фильма. Во втором случае перед нами жесткий двумерный диск с кольцами точек, которые по-разному отражают свет лазера и образуют последовательность нулей и единиц, которую мы вообще не способны воспринять. Тем не менее, оба носителя «описывают» один и тот же фильм ...
Точно так же две теории, на первый взгляд совершенно отличные по содержанию, описывают один и тот же вселенная. DVD напоминает радужно сияющий металлический диск, а теория частиц на границе «напоминает» теорию частиц при отсутствии гравитации. Кадры фильма, записанного на DVD, на экране только после соответствующего обработки битов. Квантовая гравитация и дополнительное измерение появляются теории частиц на границе только тогда, когда ее уравнение правильно проанализированы.
Что же означает эквивалентность двух теорий? Во-первых, для каждого объекта в одной теории должен существовать аналог в другой. Описания объектов могут быть совершенно разными: определенной частице внутри пространства может соответствовать целая совокупность частиц на его границе, рассматриваемая как единая сущность. Во-вторых, предсказания для соответствующих объектов должны быть идентичными. Например, если две частицы внутри пространства сталкиваются с вероятностью 40%, то совокупности частиц на его границе, соответствующие им также должны сталкиваться с вероятностью 40%.
Рассмотрим эквивалентность более подробно. Взаимодействия частиц, существующих на границе, очень похожи на взаимодействии кварков и глюонов (из кварков состоят протоны и нейтроны, а глюоны создают сильное ядерное взаимодействие, связывающее кварки). Кварки имеют своего рода заряд, его виды называют цветами и законы их взаимодействия - ХРОМОДИНАМИКА. В отличие от обычных кварков и глюонов, частицы на границе имеют не три, а гораздо большее количество цветов ...
Таким образом, голографическая соответствие - это не просто новая возможность создания квантовой теории гравитации. Оно фундаментально сочетает теорию струн как наиболее изученный подход к квантовой гравитации с теорией кварков и глюонов, что является краеугольным камнем физики элементарных частиц. Более того, голографическая теория, видимо, позволяет составить некоторое представление о точных уравнения теории струн. Она была придумана в конце 1960-х годов для описания сильных взаимодействий, но ее оставили, когда на сцене появилась теория хромодинамики. Соответствие между теорией струн и ХРОМОДИНАМИКА предусматривает, что бывшие усилия не были напрасными: оба описания являются различными сторонами одной и той же монеты.
Варьируя ХРОМОДИНАМИКА на границе, то есть меняя детали взаимодействия предельных частиц, можно получить целый спектр теорий. В принципе, внутреннее пространство может содержать только силы тяжести, или гравитацию, и другие силы, например электромагнитной и т.д.. Нам еще предстоит разработать такую предельную теорию, из которой можно будет вывести описание внутреннего пространства, содержит четыре силы, которые управляют нашим вселенной.
Принадлежит ответить еще на множество вопросов о голографические теории. В частности, есть что-то похожее для нашей вселенной, а не для АДС-пространства? Существенной особенностью АДС-пространства является то, что он граничит, где время хорошо определены. Граница существовал и будет существовать вечно. В расширяющейся Вселенной, возникший после Большого взрыва, нет такой границы. Поэтому не понятно, как определить голографическую теорию для нашей вселенной, ведь в ней нет подходящего места для голограммы. Важный урок состоит в том, что квантовая гравитация, которая на многие десятилетия озадачила лучшие умы планеты, может оказаться очень простой, если ее рассматривать в терминах правильных переменных. Будем надеяться, что скоро у нас появится простое описание Большого Взрыва.