Kvant gravitatsiyasi

Kvant gravitatsiyasi — bu umumiy nisbiylik nazariyasi va kvant mexanikasini uyg‘unlashtirishga intilgan nazariyadir. Umumiy nisbiylik makroskopik miqyosda gravitatsiyani tushuntirsa, kvant mexanikasi subatom zarrachalarini boshqaradi. Ularning asosiy farqi shundaki, umumiy nisbiylik nazariyasi koinotning katta masshtablaridagi jismoniy jarayonlarni tushuntiradi, kvant mexanikasi esa kichik masshtablardagi mikrohodisalarni izohlashda qo'l keladi. Kvant gravitatsiyasi esa gravitatsion o‘zaro ta’sirlarni kvant darajasida izohlashga harakat qiladi.

Kvant gravitatsiyasidagi Fotonni bosib oʻtadigan yoʻli. *Ushbu rasmda bir foton (binafsha rang)dan boshqasiga (sariq) million marta energiya olib yuradi. Ba'zi nazariyotchilar fazo-vaqtning tavsiya etilgan tebranma tabiati bilan kuchliroq o'zaro ta'sir qiluvchi yuqori energiyali fotonlar uchun sayohat kechikishlarini taxmin qilishadi. Ammo Fermining gamma-nurlari portlashidan olingan ikkita foton haqidagi ma'lumotlari bu ta'sirni ko'rsata olmadi va tortishishning yangi nazariyasiga ba'zi yondashuvlarni yo'q qildi. Quyidagi animatsiya havolasi olimlar kuzatishni kutgan kechikishni ko'rsatadi. Manba: NASA / Sonoma davlat universiteti / Aurore Simonnet

Tarixi

Kvant gravitatsiyasi tarixiy jihatdan XX asrning boshlarida umumiy nisbiylik nazariyasini Albert Einstein 1915-yilda ishlab chiqqanida va kvant mexanikasi 1920-yillarda shakllanganda boshlanadi. Bu nazariyalar turli sohalarda katta muvaffaqiyatga erishgan bo‘lsa-da, ularni yagona nazariyaga keltirish fizika fanining yechimi topilmagan eng katta muammolaridan biridir.

Umumiy nisbiylik va kvant mexanikasi

Albert Eynshteyn 1915-yilda umumiy nisbiylik nazariyasini taqdim etdi, bu nazariya orqali gravitatsiya kuchi fazo-vaqtning egilishi sifatida tushuntirildi. Bu nazariya koinotning katta masshtabdagi strukturasini — galaktikalar, yulduzlar, sayyoralar harakatini izohlashda muvaffaqiyat qozondi. 1920-yillarda kvant mexanikasi paydo bo‘ldi va kichik miqyosdagi zarrachalar (elektronlar, protonlar va boshqalar) harakatini tushuntirdi. Bu ikki nazariya bir-biriga zid bo‘lmagan bo‘lsa ham, gravitatsiyani kvant darajasida izohlash uchun ularni birlashtirish muhim bo‘lib qoldi.

Birlashtirish urinishlari

1930-yillardan to 1960 yillargcha fiziklar umumiy nisbiylik va kvant mexanikasini birlashtirishga urinishdi, lekin bu oson bo‘lmadi. Einstein umrining oxirgi yillarida yagona nazariya yaratish bilan shug‘ullandi, ammo muvaffaqiyatga erisha olmadi. Bu yillarda gravitatsiya va kvant mexanikasining birgalikda ishlashini tushuntiradigan yangi nazariy yondashuvlar taklif qilindi, ammo ular hali to‘liq rivojlanmagan edi.

Torlar nazariyasining paydo bo‘lishi

1970-yillarda torlar nazariyasi kvant gravitatsiyasini izohlash uchun yangi yondashuv sifatida paydo bo‘ldi. Bu nazariya bo‘yicha, koinotning eng kichik elementlari zarralar emas, balki mayda, tebranayotgan torlardan iborat. Dastlab totlar nazariyasi faqat kuchli o‘zaro ta’sirni tushuntirishga qaratilgan edi, lekin keyinchalik u kvant gravitatsiyasini tushuntirishning asosiy nazariyasi sifatida ko‘riladigan bo‘ldi.

Zamonaviy rivojlanishlar

Bugungi kunda kvant gravitatsiyasi bo‘yicha tadqiqotlar davom etmoqda. Fanda hali umumiy e’tirof etilgan yagona nazariya yo‘q, ammo torlar nazariyasi asoslangan yondashuvlar ustida chuqur izlanishlar olib borilmoqda. Gravitatsion to‘lqinlarining kashf qilinishi (2015-yilda) bu sohaga katta turtki berdi va qora tuynuklar hamda koinotning boshlanishi kabi murakkab masalalarni kvant nuqtai nazaridan o‘rganishga yangi imkoniyatlar yaratdi.

Mazmuni

Ushbu nazariya koinotning juda kichik masshtabdagi — Plank uzunligi (taxminan 10 ^-35 metr) darajasida fazo-vaqt va gravitatsiya qanday ishlashini tushuntirishga harakat qiladi.

• Fazo-vaqtning kvantlanishi: Fazo-vaqt uzluksiz emas, balki diskret (bo‘laklangan) tuzilishga ega bo‘lishi mumkin. Bu shuni anglatadiki, fazo-vaqtning kichik birligi mavjud va bu birlikdan pastda hech qanday tushunchalar ishlatilmaydi.

• Gravitonning mavjudligi: Kvant mexanikasida kuchlarning kvantlari mavjud (masalan, elektromagnit kuch uchun foton). Kvant gravitatsiyasi gravitatsiyaning kvantini — graviton zarrachasini taklif qiladi, bu zarracha gravitatsion kuchni olib yurishi kerak.

• Torlar nazariyasi: Bu nazariyada kvant gravitatsiyasini tushuntirish uchun eng kichik zarrachalar o‘rniga mayda tebranayotgan torlar mavjudligi aytiladi. Ushbu torlar orqali koinotning barcha kuchlari, jumladan, gravitatsiya ham birlashtiriladi.

• Kvazigrafiga asoslangan(halqali) kvant gravitatsiya: Bu nazariyaga ko‘ra, fazo-vaqt o‘zi kvantlangan to‘qimalardan iborat va undan maydonlar chiqadi. U Plank masshtabida fazo-vaqtni diskret tuzilishda tasvirlaydi.

Umumiy

Gravitatsiyaning qayta normallanmasligi — bu kvant gravitatsiyasi nazariyasida muhim tushuncha bo‘lib, gravitatsiyani kvant mexanikasi nuqtai nazaridan tushuntirishga urinishda yuzaga keladigan matematik va fizik muammolarni ifodalaydi.

Normallash (renormalizatsiya) — kvant maydonlar nazariyasida zarrachalar o‘zaro ta’sirining cheksiz qiymatlarini to‘g‘ri qiymatlarga keltirish jarayoni. Bu jarayon orqali zarrachalar o‘rtasidagi kuchlarning cheksizliklari bartaraf etiladi va ular bilan bog‘liq fizik ko‘rsatkichlar aniqlanadi.

Gravitatsiyani kvant maydon nazariyasi yordamida tushuntirish uchun umumiy nisbiylik nazariyasidagi gravitatsion maydonlarni kvant mexanikasi nuqtai nazaridan hisoblash kerak. Biroq, bu jarayonda paydo bo‘ladigan cheksizliklarni normallash orqali bartaraf etib bo‘lmaydi. Shuning uchun gravitatsiya kuchi qayta normallanuvchi kuch sifatida qaralmaydi.

Muammo

Gravitatsiyaning qayta normallanmasligi shuni anglatadiki, kvant mexanikasi qonunlarini gravitatsiya maydoniga qo‘llashda bu nazariyani matematik jihatdan barqaror shaklga keltirishning iloji yo‘q. Bu kvant gravitatsiyasi nazariyasida hal qilinishi kerak bo‘lgan eng katta muammolardan biridir.

Shu sababli, fiziklar bu muammoni hal qilish uchun turli yondashuvlar, masalan, torlar nazariyasi va halqali kvant gravitatsiya kabi nazariyalarni ishlab chiqishmoqda. Bu nazariyalar gravitatsiyani kvant darajasida tushuntirishga harakat qiladi, lekin hali ham to‘liq tasdiqlanmagan.

Vaqt muammosi

Umumiy nisbiylik nazariyasida vaqt fazo-vaqt tuzilmasining bir qismi sifatida ko‘riladi va massa va energiya ta’sirida o‘zgaradi. Biroq kvant mexanikasida vaqt mutlaq, uzluksiz va bitta yo‘nalishda harakatlanuvchi o‘lchov sifatida tasvirlanadi. Bu ikkita nazariya o‘rtasida vaqtning tushunchasi turlicha bo‘lishi muammoni keltirib chiqaradi. Kvant holatlarida esa, Kvant mexanikasi vaqtni holatlarning o‘zgarishi sifatida ko‘radi. Biroq, gravitatsiya kuchi ta’sirida, vaqtning qanday o‘zgarishi haqida aniq tushunchalar yo‘q. Qora tuynuklar kabi kuchli gravitatsion maydonlarda vaqt va fazo qanday birlashishini tushunish juda qiyin. Vaqtning kvantlanishida, Ba’zi nazariyalar shuni taklif qiladi-ki, vaqt kvantlangan bo‘lishi mumkin. Bunda vaqtni hosil qiluvchi "diskret" birligi mavjud bo‘lishi mumkin. Biroq bu nazariya hali tasdiqlanmagan va u o‘z ichiga qator savollar va muammolarni oladi.

Tajribalar

1. Katta teleskoplar va observatoriyalar orqali o‘tkazilgan kuzatishlar. Har xil joylarda, masalan, Hubble kosmik teleskopi (AQSh) va VLT (Very Large Telescope) observatoriyasi (Chili)da oʻtkazilgan. Hubble 1990 yilda ishga tushirilgan, VLT esa 2001 yilda to‘liq ishga tushdi. Bu kuzatishlar ko‘plab astronomlar va olimlar tomonidan olib boriladi. Hubble kosmik teleskopi uchun NASA va ESA (Yevropa Kosmik Agentligi) mas'uldir
2. Kvant holatlari va gravitatsiya boʻyicha oʻtkazilgan tajribalar. Atomlar yoki zarrachalar holatlarini o‘rganish tajribalari ko‘plab universitetlar va ilmiy markazlar tomonidan amalga oshiriladi. Masalan, Avstriyadagi Vena Universiteti va Germaniyaning Max Plank instituti. Qoʻshimchasiga Vena, Avstriya; Max Planck instituti, Germaniyalarda ham bu tajribalar oʻtkazilgan. Ushbu tajribalar so‘nggi yillarda, 2000-yildan boshlab doimiy ravishda o‘tkazilib kelinmoqda. Ushbu tadqiqotlar ko‘plab olimlar va jamoalar tomonidan olib boriladi. Masalan, Anton Zeilinger va uning guruhi kvant gravitatsiyasi bo‘yicha tadqiqotlar olib bormoqda.

Tanqidlar

1. Eksperimental isbotning yo‘qligi: Kvant gravitatsiyasi nazariyalari hozircha faqat nazariy bo‘lib, ulardan hech biri eksperimental jihatdan isbotlanmagan. Kichik miqyosdagi zarrachalar va kuchlar o‘ta kichik masshtablarda namoyon bo‘ladi, bu esa zamonaviy texnologiya orqali o‘lchashning iloji yo‘qligiga olib keladi. Hozirda mavjud bo‘lgan eksperimentlar faqat makroskopik darajadagi gravitatsion hodisalarni o‘lchashga qaratilgan.

1. Matematikaning murakkabligi: Torlar nazariyasi va kvazigrafiga asoslangan kvant gravitatsiya matematik jihatdan juda murakkab. Ayniqsa, torlar nazariyasi o‘ta yuqori o‘lchamli (10 yoki undan ortiq o‘lchamda) ishlaydi, bu esa amaliy matematik modellashtirishni qiyinlashtiradi.

1. Bir nechta qarama-qarshi nazariyalar: Kvant gravitatsiyasiga oid turli nazariyalar mavjud va ulardan qaysi biri haqiqatan ham to‘g‘ri ekanini aniqlash qiyin.Torlar nazariyasi, kvazigrafiga asoslangan kvant gravitatsiya va boshqa alternativ nazariyalar turli yondashuvlarni taklif qiladi, ammo ularning hech biri hali tajriba orqali tasdiqlanmagan.

1. Nazariyalarning qamrovi cheklanganligi: Kvant gravitatsiyasi hozirda koinotning butunlay har bir jihatini tushuntirib bera olmaydi. Misol uchun, qora tuynuklar va koinotning dastlabki lahzalarida sodir bo‘lgan hodisalarni izohlash qiyin. Ba’zi nazariyalar bu masalalarni qisman tushuntiradi, ammo ular o‘ta abstrakt va ba’zan noto‘liq bo‘lib qoladi.

1. Asosiy tamoyillarning noaniqligi: Kvant gravitatsiyasi nazariyalari ko‘pincha boshqa muhim tamoyillarni (masalan, kuzatish tamoyili, sababiyat, noaniqlik tamoyillari) qayta ko‘rib chiqishga majbur qiladi. Bu esa ko‘plab fiziklarga nazariyaning to‘g‘riligi bo‘yicha shubha uyg‘otadi.

Qoʻshimcha adabiyotlar

• Quantum Gravity - Carlo Rovelli
• The Large Scale Structure of Space-Time - Stephen Hawking and G. F. R. Ellis
• Quantum Field Theory and Statistical Mechanics - A. Zee
• A First Course in Loop Quantum Gravity - Rodolfo Gambini and Jorge Pullin
• The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe - Roger Penrose
• Quantum Gravity: An Introduction to the Theory of Gravity in the Quantum Regime - M. Maggiore