Strona głównaPytania → Czy istnieje teoria łącząca grawitację...

Czy istnieje teoria łącząca grawitację i elektromagnetyzm?

Pytanie

Pyta jan

Czy fizycy stworzyli jednolitą teorię grawitacji i elektromagnetyzmu?

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Piotr Sułkowski

Fizycy stworzyli teorię łączącą (innymi słowy – unifikującą) teorię grawitacji (Einsteina) oraz elektromagnetyzm – jest to tzw. teoria Kaluzy-Kleina. Należy podkreślić, że taka unifikacja zrozumiana jest dobrze rozumiana na poziomie teorii klasycznych. W największym skrócie, teoria Kaluzy-Kleina jest sformułowana analogicznie do (czterowymiarowej) teorii Einsteina – natomiast sformułowana jest ona w przestrzeni pięciowymiarowej. Ponadto zakłada się, że jeden z wymiarów (powiedzmy piąty) tej przestrzeni nie rozciąga się do nieskończoności, ale tworzy okrąg o skończonym (i bardzo małym) rozmiarze. Okazuje się, że w takim przypadku pięciowymiarowe równania Einsteina redukują się do dwóch zbiorów równań: „zwykłych” równań Einsteina w czterech wymiarach, oraz równań które wyglądają tak samo jak równania elektromagnetyzmu które są konsekwencją istnienia „małego” piątego wymiaru. Taka teoria automatycznie może wyjaśnić pewne zjawiska, których wciąż dobrze nie rozumiemy – np. skwantowane wartości ładunku elektrycznego są konsekwencją skończonego rozmiaru dodatkowego wymiaru. Proces redukcji teorii wyżej-wymiarowej (w tym wypadku 5-wymiarowej) do teorii w niższym wymiarze w ogólności nazywany jest kompaktyfikacją. Teoria Kaluzy-Kleina jest bardzo interesującym pomysłem teoretycznym, natomiast na poziomie doświadczalnym nie jesteśmy w stanie stwierdzić czy rzeczywiście taki dodatkowy wymiar istnieje (być może z powodu niezwykle małego rozmiaru, którym musiałbym się charakteryzować).

Warto też podkreślić, że we współczesnej fizyce często rozważane są dalsze uogólnienia teorii Kaluzy-Kleina. Np. teoria strun przewiduje istnienie 10 lub 11 wymiarów, które związane miałyby być z obserwowanym przez nas 4-wymiarowym Wszechświat właśnie poprzez proces kompaktyfikacji.

Trzeba też zaznaczyć, że teorię Kaluzy-Kleina rozumiemy dobrze na poziomie klasycznym, natomiast nie umiemy w pełni sformułować kwantowej teorii grawitacji – ani na poziomie 4-wymiarowym, ani też 5-wymiarowym. Dlatego też teoria Kaluzy-Kleina nie jest w stanie wyjaśnić czym jest teoria kwantowej grawitacji; o kłopotach ze sformułowaniem takiej teorii pisaliśmy też tutaj, tutaj, tutaj, tutajtutaj.