ความโน้มถ่วงควอนตัม: ชิ้นส่วนที่ยังขาดหายของฟิสิกส์

ฟิสิกส์สมัยใหม่ตั้งอยู่บนสองเสาหลัก กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงอย่างเข้ม และแรงอย่างอ่อน ด้วยความแม่นยำสูงมาก สัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายแรงโน้มถ่วงได้ตั้งแต่การตกของแอปเปิลจนถึงการชนกันของหลุมดำ แต่เมื่อพยายามเขียนแรงโน้มถ่วงในภาษาของควอนตัมแบบเดียวกับแรงอื่น ๆ คณิตศาสตร์กลับให้ค่าอนันต์ที่กำจัดไม่ได้

เมื่อไรต้องใช้ทั้งสองทฤษฎี

ผลของควอนตัมต่อแรงโน้มถ่วงจะสำคัญที่สเกลเล็กมาก ซึ่งหาได้จากการรวมค่าคงที่พื้นฐานสามตัวเข้าด้วยกัน เรียกว่าความยาวพลังค์ ยาวเพียงราว 1.6 × 10⁻³⁵ เมตร

เล็กกว่าโปรตอนราว 10²⁰ เท่า เทียบเท่ากับพลังงานราว 10¹⁹ กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ สูงกว่าที่เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดทำได้ราวพันล้านล้านเท่า ในชีวิตประจำวันเราจึงไม่ต้องสนใจปัญหานี้ แต่ในสองที่ หลีกเลี่ยงไม่ได้

• ใจกลางหลุมดำ ที่สัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าความหนาแน่นเป็นอนันต์ ซึ่งน่าจะแปลว่าทฤษฎีใช้ไม่ได้ที่นั่น ไม่ใช่ว่าธรรมชาติเป็นอนันต์จริง
• จุดเริ่มต้นของบิกแบง ในยุคพลังค์ ก่อน 10⁻⁴³ วินาที

แนวทางหลัก

• ทฤษฎีสตริง มองว่าอนุภาคมูลฐานไม่ใช่จุด แต่เป็นการสั่นของเส้นพลังงานจิ๋ว รูปแบบการสั่นต่างกันให้อนุภาคต่างชนิด และหนึ่งในนั้นมีคุณสมบัติตรงกับแกรวิตอน อนุภาคพาแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีนี้รวมแรงทั้งสี่ได้ในเชิงคณิตศาสตร์ แต่ต้องการมิติของอวกาศเพิ่มเป็นสิบมิติ (มิติที่เกินมาขดตัวเล็กจนมองไม่เห็น) และยังไม่มีคำทำนายที่ทดสอบได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน
• ความโน้มถ่วงควอนตัมแบบลูป พยายามทำให้กาลอวกาศเองเป็นควอนตัม คือแบ่งเป็นหน่วยเล็กที่สุดได้ คล้ายผ้าที่ทอจากเส้นใย ทำนายว่าบิกแบงอาจเป็นการเด้งกลับของเอกภพก่อนหน้า
• ยังมีแนวทางอื่นอีกหลายแนว และแนวคิดที่ว่ากาลอวกาศอาจเกิดจากความพัวพันเชิงควอนตัมของสิ่งที่ลึกกว่า

เบาะแสจากหลุมดำ

แม้จะยังไม่มีทฤษฎีสมบูรณ์ แต่ผลบางอย่างได้มาแล้ว รังสีฮอว์คิงและเอนโทรปีของหลุมดำซึ่งแปรตามพื้นที่ผิวขอบฟ้า ไม่ใช่ปริมาตร เป็นเบาะแสว่าข้อมูลทั้งหมดภายในบริเวณหนึ่งอาจบรรจุอยู่บนผิวของมัน แนวคิดนี้เรียกว่าหลักการโฮโลกราฟี และเป็นแนวทางสำคัญในการวิจัยปัจจุบัน

จะทดสอบได้อย่างไร

นักฟิสิกส์ตามหาร่องรอยทางอ้อม เช่น ผลเล็กน้อยต่อแสงจากการระเบิดรังสีแกมมาที่เดินทางมาไกลหลายพันล้านปีแสง คลื่นความโน้มถ่วงจากยุคอินเฟลชันที่อาจทิ้งร่องรอยในรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง หรือการทดลองในห้องปฏิบัติการที่ตรวจว่าแรงโน้มถ่วงทำให้วัตถุเล็ก ๆ พัวพันเชิงควอนตัมกันได้หรือไม่ จนถึงปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานโดยตรง