במחצית הראשונה של המאה העשרים התחוללה מהפכה אמיתית בפיזיקה. הפיזיקה הקלאסית של ניוטון ושל מקסוול הוחלפה בשתי תיאוריות חדשות ששינו את תפיסת עולמנו לגבי מושגי המרחב, הזמן והמציאות.
תאוריית היחסות הפרטית תאוריית היחסות הכללית, אשר פורסמו על-ידי איינשטיין בשנים 1905 ו-1915 עוסקות במבנה המרחב והזמן ובכבידה. כתבנו עליהן בעבר [1,2] ורק נזכיר כאן כי הן חוזות שינויים קלים בתנועות כוכבי הלכת לעומת התחזיות של תיאוריות ניוטון וקפלר, הסחה של האור בקרבת מסות גדולות, את קיומם של חורים שחורים ואת התפשטות היקום. כל התחזיות הללו אוששו בעזרת תצפיות.
התיאוריה השניה היא תאוריית הקוונטים [3], שבבסיסה חוסר דטרמיניזם ואי-ודאות בסיסית בטבע לגבי גדלים פיזיקלים (למשל, תנע ומיקום). תחזיותיה של התאוריה אוששו בשלל ניסויים, בעיקר בקנה מידה אטומי, כשהבולט שבהם הוא האפקט הפוטואלקטרי.
הרעיון להחיל את עקרונות תיאורית הקוונטים על תאוריית היחסות הפרטית נהגה כבר בשנת 1928. אז כתב הפיזיקאי פול דיראק משוואה המתארת את האלקטרון בצורה שמשלבת את תאוריית היחסות עם תאוריית הקוונטים. משוואה זאת חזתה את קיומו של הפוזיטרון [4] וזיכתה את דיראק בפרס נובל.
ההחלה של עקרונות תיאורית הקוונטים על השדה האלקטרומגנטי, הובילה לתיאור קוונטי-יחסותי של פעולת הגומלין האלקטרומגנטית במסגרת הנקראת "תאוריית השדות הקוונטיים".
"המודל הסטנדרטי" של הטבע, כלומר המודל שמתאר את הכוח החזק, החלש והאלקטרומגנטי, גם הוא מודל יחסותי-קוונטי, והוא מאושש על ידי לא מעט ניסויים במאיצי החלקיקים השונים ברחבי העולם.
בדומה לשאר פעולות הגומלין בטבע, יש צורך לשלב את הכבידה עם תורת הקוונטים. מדוע? ישנן מספר סיבות. למשל, לא ניתן לקיים את עקרון אי-הודאות במסגרת תאוריית כבידה קלאסית. הסיבה היא הניסוי המחשבתי הבא: בתיאוריה קלאסית ניתן בעזרת פיזור גלי כבידה על חלקיק למדוד במדויק הן את מיקומו והן את התנע שלו [5] ולהפר את עקרון אי-הוודאות. מכאן, שיש צורך בתיאוריה קוונטית של כבידה בה האלמנט הבסיסי הוא ה״גרביטון״ - חלקיק היפותטי שנושא את כוח הכבידה. זאת באופן מקביל לפוטון, הנושא את הכוח האלקטרומגנטי.
סיבות נוספות לצורך בכבידה קוונטית הן בעיות הייחודיות למתרחש בתוך חורים שחורים ובמפץ הגדול. אנו הפיזיקאים סבורים שתיאוריית כבידה קוונטית תתן מענה לבעיות אלו [6].
שתי התאוריות, תאוריית הקוונטים ותאוריית היחסות הכללית הן הצלחה כבירה, אולם הן לא מתיישבות אחת עם השנייה. בעקבות ההצלחה של תיאוריית השדות הקוונטים לגבי הכוח החזק, החלש והאלקטרומגנטי, ניסו פיזיקאים לחקות את אותו הפורמליזם ולהחילו על כוח הכבידה. התכנית הזאת נחלה כשלון חרוץ: חישובים שנעשו תוך שימוש בפורמליזם הובילו לתוצאות מגוחכות לגבי גדלים פיזיקלים - אינסוף בכל מקום.

ההבנה כיום היא, ששדה הכבידה שונה באופיו משאר השדות באופן מהותי. בכדי להחיל עליו את עקרונות תורת הקוונטים יש צורך ברעיון מהפכני.
נכון לעכשיו, התאוריה המובילה בניסיון לתאר את הכבידה באופן קוונטי היא תאוריית המיתרים. בבסיסה, הרעיון שהגרביטון הוא אופן תנודה של מיתר סגור (מעין לולאה). הקורא הסקרן מופנה אל סדרה שפרסמנו בנושא [7].
תיאורית המיתרים היא תיאוריה עקבית, אולם היא טרם אוששה נסיונית מאחר ואין בידינו כיום את היכולת למדוד את הניבויים שלה - הנוגעים למרחקים קצרצרים (אורך פלאנק - יותר קטן ממיליארדית מיליארדית האטום). האם תיאורית המיתרים היא היא תיאורית הכבידה הקוונטית אם לאו? הטבע יגיד לנו.

לקריאה נוספת ומקורות:
[1] תיאורית היחסות בכיס שלכם
[2] קפיצה מחשבתית מיחסות פרטית ליחסות כללית
[3] שזירה קוונטית
[4] תעלומת האנטי חומר החסר
[5] מאמר המתאר את הניסוי המחשבתי
[6] מה קדם למפץ הגדול
[7] הולדת תורת המיתרים