כבידה קוונטית

כבידה קוונטית היא תחום תאורטי שמנסה לאחד את תורת השדות הקוונטית, תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים. שתי התאוריות הראשיות האלה מתארות חלקים שונים של המציאות, אך יש בהן סתירות כשנבחן מצבים קיצוניים.

יש ארבעה כוחות יסודיים בטבע. הכוחות הגרעיניים החלש והחזק מוסברים במכניקת הקוונטים. הכוח האלקטרומגנטי מקבל תיאור קוונטי בשם אלקטרודינמיקה קוונטית. כבידה מתוארת כיום בתורת היחסות הכללית, שהיא תיאוריה קלאסית.

בעבר נעשו ניסיונות רבים לשלב בין שתי התורות. רק כמה גישות מודרניות, כמו תורת המיתרים ולולאות הכבידה הקוונטית, הצליחו להתקדם, אך אף אחת לא הוכחה כנכונה בניסויים עד כה.

בתורת הקוונטים כל מצב יכול להיות סופרפוזיציה, כלומר שילוב של כמה מצבים יחד. בתורות קלאסיות, כמו תורת היחסות, זה אינו קיים. כדי להתגבר על סתירה כזו מנסים "לקוונטז" תורות קלאסיות, כלומר לבנות להן גרסה קוונטית.

במכניקת הקוונטים חלקיק עלול להופיע בכמה מקומות בו‑זמנית. מדידה מאלצת אותו להיות במקום אחד בלבד, תופעה שנקראת קריסת פונקציית הגל. בתורת היחסות אין השפעות מיידיות בגלל המהירות המקסימלית, מה שיוצר פרדוקסים כמו פרדוקס EPR. בעיית הלוקאליות מטופלת במסגרת תורת השדות הקוונטית.

בתורת השדות הקוונטית כל כוח מתווך על ידי חלקיק נושא כוח. כדי לשלב את הכבידה בתיאוריה זו מניחים שיש חלקיק שנקרא גרביטון, ש"נושא" את הכבידה.

בגישה הקוונטית כל חלקיק עובר בסופרפוזיציה של כל המסלולים האפשריים. חלק מהמסלולים הללו גורמים לחילופי חלקיקים רבים, ולפי חישובים מסויימים זה יכול להניב תוצאות אינסופיות. ברנורמליזציה מתקנים את ההתנהגות הזאת על ידי כך שתכונות החלקיקים משתנות בקנה מידה קטן, ומה שמדמה אינסוף מתוקן לערכים סבירים.

אבל רנורמליזציה נכשלת כשמנסים לחשב אינטראקציות עם גרביטונים. אומרים שהכבידה אינה רנורמזבילית, ולכן אין דרך פשוטה להכניס את תורת היחסות הכללית למסגרת הרגילה של תורת השדות הקוונטית.

באופן אינטואיטיבי הבעיה קשורה לעקרון אי הוודאות. אם מקומו של חלקיק מוגדר בדיוק גבוה, התנע שלו גדול וה"מסה האפקטיבית" שלו גבוהה. כדי לשים שני חלקיקים קרוב מאד, נדרשת רמת דיוק גבוהה. מצב כזה מגדיל את תדירות הפליטה והחלפת הגרביטונים, ואז התרומות המתמטיות נהיות גדולות מדי. לכן איננו יכולים להניח שהפליטה של גרביטונים קטנה במקומות קרובים.

ברוב הזמן היקום גדול ולכן תורת היחסות מספיקה. אבל בעבר, כשהיקום היה קטן וצפוף, חוקי הקוונטים שולטים. חורים שחורים גם דורשים התחשבות בשתי התורות בו‑זמנית. לכן נחוצה תאוריה אחידה שתהיה ללא סתירות.

עדיין אין תאוריה שנבדקה ונמצאה נכונה המחברת את שתיהן. ישנם תחומים פתוחים אחרים בפיזיקה שמצריכים מחקר נוסף.

תורת המיתרים מציעה שלחלקיקים אין נקודה אלא מיתר זעיר. רעיון זה נותן לחלקיקים גודל מינימלי. אם לחלקיקים יש גודל כזה, יש גבול לאיך הם יכולים להתקרב זה לזה. המגבלה הזאת מפחיתה תרומות אינסופיות ומפתרת בעקרון את בעיית הרנורמליזציה.

עדיין, תורת המיתרים דורשת הנחות נוספות, כמו ממדים נוספים וסופר‑סימטריה, שלא נצפו עד כה בניסוי.

איחוד הכבידה עם שאר הכוחות הוא חלק מהשאיפה לתאוריה כוללת. פתרון כזה צריך להסביר מצבים קיצוניים, להיות פנימי‑קונסיסטנטי ולהתאים לתצפיות הניסויית. כיום נמשכים המחקרים, אך אין הסכמה סופית על התשובה.

כבידה קוונטית היא ניסיון לחבר שתי תיאוריות חשובות בפיזיקה. תורת היחסות מתארת כבידה. מכניקת הקוונטים מתארת חלקיקים קטנים.

יש ארבעה כוחות בטבע. הכבידה היא אחד מהם. בחלק מהתיאוריות מכניסים חלקיק שנקרא גרביטון. גרביטון הוא רעיון לחלקיק שמוביל את כוח הכבידה.

בתורת הקוונטים דברים יכולים להיות בכמה מצבים יחד. זאת סופרפוזיציה, כלומר מצב משולב. בתורת היחסות זה לא עובד כך. לכן קשה לאחד את שתיהן.

בקוונטים חלקיק יכול להיראות במקומות שונים עד שמודדים אותו. מדידה מזוהה עם קריסת פונקציית הגל. בתורת היחסות אי אפשר להעביר השפעות מהר יותר מהאור. זה יוצר בעיות שמנסים לפתור בתורת השדות הקוונטית.

ברנורמליזציה מתאימים חישובים כדי למנוע ערכים אינסופיים. זוהי סוג של תיקון מתמטי. כשמנסים לעשות זאת לכבידה, זה לא מצליח.

בסיבות היסטוריות וגלובליות. כשהיקום היה קטן מאוד, הקוונטים היו חשובים. חורים שחורים גם דורשים שנחשוב על שניהם.

תורת המיתרים אומרת שחלקיקים הם קטעי מיתר זעירים. זה נותן להם גודל מינימלי. בגלל הגודל הזה הם לא יכולים להתקרב עד אין־סוף. כך המיתר מונע בעיות של ערכים אינסופיים.

מנסים לבנות תאוריה אחת שתתאים לכל הכוחות. עדיין אין הוכחה ניסויית לתיאוריה כזו. המחקר ממשיך.