Оценены нелокальные эффекты квантовой гравитации

Квантовая теория поля (КТП) — теоретическая основа для описания взаимодействия микрочастиц. Это, например, Стандартная модель, описывающая результаты экспериментов на ускорителях частиц и данные астрофизических наблюдений. Любая КТП может быть либо локальной, либо нелокальной. Грубо говоря, в локальной КТП частицы точечные и взаимодействуют в определенной точке, а в нелокальной теории это некоторые протяженные объекты, взаимодействующие в области их перекрытия. Нелокальные КТП очень трудны для изучения, а почти весь прогресс физики высоких энергий связан с развитием локальной КТП. Однако нелокальные КТП теоретики тоже рассматривают. Их важность тесно связана с проблемой расходимостей и «перенормируемостью». Обычно в КТП работают в рамках так называемой теории возмущений. В ней решение уравнений получается методом последовательных приближений: вначале учитываются поправки первого порядка, затем второго, третьего и т. д. Трудность состоит в том, что слагаемые получающегося бесконечного ряда расходящиеся, то есть, имеют бесконечные значения. Чтобы получить осмысленный результат, нужно провести «перенормировку»: добавить в теорию некоторые вспомогательные бесконечные величины — «контрчлены», которые будут взаимно сокращаться с расходимостями. Если эту процедуру можно провести, вводя лишь конечное количество контрчленов, то такая теория считается хорошей или «перенормируемой» (Стандартная модель как раз такая). Если конечным числом контрчленов ограничиться нельзя, то теория плохая или «неперенормируемая». Трудность построения теории квантовой гравитации состоит именно в том, что теория, получающаяся в результате квантования классической общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, неперенормируема. Кажется, что неперенормируемые теории бессмысленны. Однако современные физики смотрят на них как на «эффективные теории», описывающие реальность лишь при низких энергиях. То есть, они предполагают, что неперенормируемость связана с тем, что мы рассматриваем явления при низких энергиях и необоснованно экстраполируем их в область высоких энергий. На самом же деле при высоких энергиях появляется некоторая пока неизвестная «новая физика», которая исправляет ситуацию, делая теорию перенормируемой. Иными словами, считается, что существует некоторая пока неоткрытая точная теория квантовой гравитации, которая описывает устройство пространства-времени на очень малых расстояниях (или при очень больших энергиях). А обычная квантовая гравитация, получающаяся квантованием ОТО, является только ее пределом при низких энергиях. Нет поэтому ничего ужасного в том, что обычная теория гравитации становится заведомо неприменимой при энергиях, сопоставимых с так называемой массой Планка. Последняя неизмеримо (примерно в 1015 раз) больше максимальных энергий, получаемых в настоящее время на ускорителях частиц. При этих энергиях возможные эффекты гравитации должны хорошо описываться обычной «эффективной» квантовой гравитацией. Однако если эта теория эффективна, она должна приводить к некоторым нелокальным эффектам. Причем из-за взаимодействия гравитации с полями материи они должны распространяться и на них, т. е. во взаимодействиях обычных полей Стандартной модели должна присутствовать некоторая малая нелокальность. Оценку величины этих нелокальных эффектов сделали в своей работе Ксавьер Калмет (Университет Сассекса) вместе с российскими коллегами Станиславом Алексеевым из Государственного астрономического института МГУ и Борисом Латошем (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна). В работе получены точные выражения, описывающие нелокальные эффекты при взаимодействии различных полей материи. Помимо этого, используя ограничения на нелокальность, полученные из данных Большого адронного коллайдера, ученые оценили максимальное количество не открытых пока полей. Хотя полученная оценка чрезвычайно слабая, она может оказаться существенной для проверки некоторых экзотических теорий — так называемой «ТэВной гравитации» (TeV-scale gravity), в которых эффекты квантовой гравитации могут проявляться при низких энергиях. Результаты работы будут способствовать лучшему пониманию квантовой гравитации и связанных с ней нетривиальных эффектов и помогут при поисках «новой физики». Исследование опубликовано в журнале Physics Letters B. Ранее российские физики нарушили второй закон термодинамики в квантовом мире.