Вокруг Света 2004 № 04 (2763) - [19]

В связи с этим существуют предложения, связанные с попытками учесть квантовые явления. Хотя взаимоотношения гравитации и квантовой теории — отдельная и достаточно сложная история. Существует несколько способов получения квантовых версий ОТО, которые приводят к принципиально разным результатам. По этой причине многие специалисты полагают, что квантовая гравитация должна строиться не на основе ОТО, а на основе более общей и более глубокой теории, объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями.

Совершенство бесконечности

На сегодняшний момент практически треть ежегодно представляемых научных работ в области гравитации так или иначе оказывается в области классической ОТО и ее астрофизических и космологических приложений. Совершенствуется математический аппарат, включая методы поиска решений уравнений Эйнштейна, находятся новые решения и анализируются старые, обсуждаются принципиальные вопросы и рассчитываются наблюдаемые эффекты. В экспериментальном разделе много работ, предлагающих попытки регистрации гравитационных волн, а также предложения о проведении измерений в космосе. Есть раздел альтернативных подходов, среди которых на почетном месте многомерные теории и теории объединения взаимодействий, включая гравитацию.

Разработчики обобщений ОТО преследуют довольно разнообразные цели. Это и попытки преодолеть ее трудности, сохранив или усилив достоинства, и стремление учесть принципы и явления, в ОТО не представленные. Но, пожалуй, главное во всех новых теориях –– это подход к гравитации как к составной части будущей «теории всего на свете». Объединенные модели гравитации, как правило, используют более сложные геометрические структуры, чем четырехмерная риманова геометрия, а также новые физические поля, помимо метрики. Многие из них используют идеи, выдвинутые еще в начале 1920-х годов. И все же каждая из таких теорий при наложении некоторых ограничений сводится к ОТО. Как и в ОТО, в них ведется поиск решений, представляющих физический интерес (черные дыры, космологические модели и так далее), и предсказаний, допускающих проверку наблюдениями.

Таким образом, несмотря на блестящий экспериментальный статус ОТО, большинство современных специалистов рассматривают ее не как последнее слово в этой области физики, а как низкоэнергетический предел пока еще не известной фундаментальной теории — скорее всего многомерной и объединяющей все взаимодействия. А значит, скорее всего, ОТО предстоит повторить судьбу теории Ньютона — отступить с переднего края исследований в глубокий тыл, став всего лишь важным предельным случаем новой, еще более совершенной теоретической конструкции.

Кладезь теорий

Скалярно-тензорные теории (СТТ)

В них гравитация характеризуется, помимо метрического тензора, определяющего кривизну пространства, одним или несколькими скалярными полями. Это такие поля, которые не зависят от выбора системы координат. СТТ –– самое простое с математической точки зрения обобщение ОТО, предсказывающее в общем случае зависимость гравитационной постоянной от положения в пространстве и времени, отличные от ОТО величины классических эффектов и большее разнообразие гравитационных волн.

Калибровочные теории

Главная их идея восходит к работам немецкого математика Г. Вейля 1918—1922 годов, в которых предлагалось использовать уравнения гравитации и электромагнетизма с дополнительной симметрией относительно некоторых преобразований самих полей. С 1950-х годов подобные симметрии (локальные калибровочные) широко используются для описания взаимодействий частиц. Важно, что калибровочные симметрии могут описываться в терминах геометрии некоторых особых пространств, продолжая тем самым геометризацию физики. Предполагается, что в таких теориях можно «сгладить» многие сингулярности, имеющиеся в решениях ОТО, и по-новому поставить проблемы энергии и квантования.

Теории суперструнного происхождения

Среди претендентов на роль «теории всего на свете» наиболее перспективными считаются так называемые теории суперструн. Струны —– это одномерные микрообъекты, которые, подобно гитарным струнам, могут испытывать колебания с определенным спектром частот. Этим частотам сопоставляются энергии различных частиц. Приставка «супер» в данном случае означает присутствие так называемой суперсимметрии — симметрии между разными типами элементарных частиц. Суперструны «живут» в искривленных пространствах 10-и или 11-и измерений (в зависимости от конкретного варианта теории) и при определенных условиях приводят к некоему подобию ОТО.

Теория мира на бране

Теории, работающие в пространстве, имеющем более четырех измерений, вынуждены отвечать на вопрос, почему эти измерения невидимы. В большинстве случаев, начиная с работ Т. Калуцы и О. Клейна 1920-х годов, ответ звучит так: лишние измерения замкнуты, или свернуты, и имеют крайне малые размеры.

Но возможен и другой ответ: например, 5-е или 6-е измерения — не малы, может быть, даже бесконечны, но наш мир «заперт» на четырехмерной поверхности, а для выхода в 5-е или 6-е измерения нужна огромная энергия. Такая запертая поверхность получила название «брана», а вся теория известна как «мир на бране». В таком мире могут существовать и черные дыры без сингулярностей, и кротовые норы, и многие другие нестандартные объекты и явления.