- Traducere
Doi candidați pentru o „teorie a totul”, considerată mult timp incompatibilă, se pot dovedi a fi două fețe ale aceleiași monede.
Au trecut optzeci de ani de când fizicienii și-au dat seama că teoriile mecanicii cuantice și gravitația sunt incompatibile, iar misterul combinării lor rămâne nerezolvat. În ultimele decenii, cercetătorii au studiat această problemă în două moduri diferite - prin teoria corzilor și prin gravitația cuantică - pe care oamenii de știință care le practică le consideră incompatibile. Dar unii oameni de știință susțin că pentru a avansa este necesar să ne unim forțele.
Dintre încercările de a unifica teoria cuantică și gravitația, teoria corzilor a primit cea mai mare atenție. Premisa sa este simplă: totul este făcut din snururi mici. Corzile pot fi închise sau deschise; ele pot vibra, întinde, combina sau dezintegra. Și în această diversitate se află explicațiile pentru toate fenomenele observabile, inclusiv materia și spațiu-timp.
Gravitația cuantică în buclă (LQG), în schimb, pune mai puțin accent pe materia prezentă în spațiu-timp și se concentrează mai mult pe proprietățile spațiu-timpului însuși. În teoria PKG, spațiu-timp este o rețea. Fundalul neted al teoriei gravitației lui Einstein este înlocuit de noduri și legături cărora li se atribuie proprietăți cuantice. Astfel, spațiul este format din piese separate. PKG studiază în principal aceste piese.
Această abordare a fost mult timp considerată incompatibilă cu teoria corzilor. Într-adevăr, diferențele dintre ele sunt evidente și profunde. Pentru început, PCG studiază bucăți de spațiu-timp, iar teoria corzilor studiază comportamentul obiectelor în spațiu-timp. Aceste zone au, de asemenea, provocări tehnice. Teoria corzilor cere să existe 10 dimensiuni în spațiu; PKG nu funcționează în dimensiuni mai mari. Teoria corzilor presupune existența supersimetriei, în care toate particulele au parteneri încă nedescoperiți. Supersimetria nu este caracteristică PCG.
Aceste și alte diferențe au împărțit comunitatea fizicii teoretice în două tabere. „Conferințele sunt împărțite”, spune Dorge Pullin, fizician la Universitatea de Stat din Louisiana și coautor al unui manual despre PCG. – Jucătorii de buclă merg la conferințe de buclă, jucătorii de șir merg la conferințe de șir. Acum nici măcar nu merg la conferințe despre „fizică”. Cred că este destul de nefericit”.
Dar unii factori pot apropia aceste tabere. Noile descoperiri teoretice au dezvăluit posibile asemănări între PKG și teoria corzilor. O nouă generație de teoreticieni a corzilor a depășit teoria corzilor și a început să caute metode și instrumente care ar putea fi utile în crearea unei „teorii a tuturor”. Iar paradoxul recent al pierderii de informații în găurile negre i-a făcut pe toți să se simtă mai umili.
Mai mult, în absența unor dovezi experimentale pentru teoria corzilor sau PKG, dovada matematică că acestea sunt două fețe ale aceleiași monede ar oferi dovezi că fizicienii se mișcă în direcția corectă în căutarea unei „teorii a tuturor”. Combinația dintre PKG și teoria corzilor ar face noua teorie unică.
O conexiune neașteptată
Încercările de a rezolva unele probleme ale PKG au condus la prima conexiune neașteptată cu teoria corzilor. Fizicienii care studiază PKG nu au o înțelegere clară a modului de a trece de la bucățile unei rețele spațiu-timp la o descriere la scară largă a spațiu-timpului care să se potrivească cu relativitatea generală a lui Einstein, cea mai bună teorie a gravitației. Mai mult, teoria lor nu poate găzdui cazul special în care gravitația poate fi neglijată. Aceasta este problema care așează orice încercare de a folosi spațiu-timp în bucăți: în SRT, dimensiunile liniare ale unui obiect scad în funcție de mișcarea observatorului față de obiect. Compresia afectează, de asemenea, dimensiunea bucăților de spațiu-timp, care sunt percepute diferit de observatorii care se mișcă la viteze diferite. Această discrepanță duce la probleme cu principiul central al teoriei lui Einstein - că legile fizicii nu depind de viteza observatorului.„Este dificil să introduci structuri discrete fără a te confrunta cu probleme SRT”, spune Pullin. Într-o lucrare din 2014 scrisă împreună cu colegul Rudolfo Gambini, fizician la Universidad Republican de Uruguay din Montevideo, Pullin scrie că alinierea PKG cu STR implică inevitabil apariția unor interacțiuni similare celor prezente în teoria corzilor.
Că cele două abordări aveau ceva în comun i s-a părut probabil lui Pullin de la o descoperire fundamentală la sfârșitul anilor 1990 de către Juan Malzadena, fizician la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey. Malzadena, în spațiu-timp anti-De Sitter (AdS), a reconciliat teoria gravitației și teoria câmpului conform (CFT) la limita spațiu-timpului. Folosind abordarea AdS/CFT, teoria gravitației poate fi descrisă folosind o teorie a câmpului mai ușor de înțeles.
Versiunea completă a dualismului este încă o ipoteză, dar are un caz limită bine înțeles cu care teoria corzilor nu se ocupă. Deoarece corzile nu joacă un rol în acest caz, poate fi folosit în orice teorie a gravitației cuantice. Pullin vede un punct comun aici.
PKG așa cum a fost imaginat de un artist
Hermann Verlinde, un fizician teoretician la Universitatea Princeton care lucrează frecvent cu teoria corzilor, spune că este plauzibil că metodele PKG ar putea face lumină asupra laturii gravitaționale a dualismului. Într-o lucrare recentă, el a descris un model simplificat AdS/CFT în două dimensiuni pentru spațiu și una pentru timp sau, după cum spun fizicienii, în cazul „2+1”. El a descoperit că spațiul AdS poate fi descris folosind rețele precum cele utilizate în PCG. Chiar dacă întregul design încă funcționează în 2+1, oferă un nou mod de a privi gravitația. Verlinde speră să generalizeze modelul la mai multe dimensiuni. „PKG a fost privit prea îngust. Abordarea mea include și alte domenii. Din punct de vedere intelectual, aceasta este o privire în viitor”, a spus el.
Dar chiar dacă este posibil să combinați metodele PKG și teoria corzilor pentru a merge mai departe cu spațiul AdS, întrebarea rămâne: cât de utilă va fi o astfel de combinație? Spațiul AdS are o constantă cosmologică negativă (acest număr descrie geometria Universului la scară mare), în timp ce Universul nostru are una pozitivă. Nu trăim într-o construcție matematică descrisă de spațiul AdS.
Abordarea lui Verlinde este pragmatică. „De exemplu, pentru o constantă cosmologică pozitivă, este posibil să avem nevoie de o nouă teorie. Întrebarea este atunci cât de diferit va fi de acesta. AdS este cel mai bun indiciu de până acum al structurii pe care o căutăm și trebuie să facem un truc pentru a ajunge la o constantă pozitivă.” El crede că oamenii de știință nu își pierd timpul cu această teorie: „Deși AdS nu descrie lumea noastră, ne va oferi lecții care ne vor conduce în direcția corectă”.
Unificarea pe teritoriul unei găuri negre
Verlinde și Pullin indică o altă posibilitate ca teoria corzilor și comunitățile PKG să se unească: soarta misterioasă a informațiilor care cad într-o gaură neagră. În 2012, patru cercetători de la Universitatea din California au atras atenția asupra unei contradicții în teoria dominantă. Ei au susținut că, dacă o gaură neagră ar permite informației să scape din ea, aceasta ar distruge structura fină a spațiului gol din jurul orizontului găurii negre și ar crea o barieră de înaltă energie - un „firewall”. Dar o astfel de barieră este incompatibilă cu principiul echivalenței care stă la baza relativității generale, care afirmă că un observator nu poate spune dacă a traversat orizontul. Această incompatibilitate i-a supărat pe teoreticienii șirurilor, care credeau că înțeleg legătura dintre găurile negre și informații și au fost nevoiți să-și ia din nou caietele.Dar această problemă este importantă nu numai pentru teoreticienii corzilor. „Toată această dezbatere despre firewall a fost în mare parte în comunitatea teoreticienilor șirurilor, ceea ce nu înțeleg”, a spus Verlinde. „Problemele despre informațiile cuantice, încâlcirea și construcția spațiului matematic Hilbert sunt ceea ce experții PCG au lucrat.”
În acest moment, un eveniment a avut loc neobservat de majoritatea specialiștilor în corzi - căderea barierei ridicate prin supersimetrie și dimensiuni suplimentare. Grupul lui Thomas Tiemann de la Universitatea din Erlangen-Nürnberg (Germania) a extins PKG la dimensiuni mai mari și a inclus supersimetria - concepte care anterior erau domeniul exclusiv al teoriei corzilor.
Recent, Norbert Bodendorfer, un fost student al lui Tiemann care lucrează la Universitatea din Varșovia, a aplicat metode de cuantificare a buclei de la PCG în spațiul AdS. El susține că PKG este util pentru a face față dualității AdS/CFT în cazurile în care teoreticienii corzilor nu pot face calcule gravitaționale. Bodendorfer crede că decalajul care a existat între PKG și corzi dispare. „Uneori am avut impresia că teoreticienii corzilor înțeleg foarte puțin PKG și nu vor să vorbească despre asta”, a spus el. „Dar specialiştii mai tineri dau dovadă de deschidere la minte. Sunt foarte interesați de ceea ce se întâmplă la intersecția regiunilor.”
„Cea mai mare diferență este modul în care ne definim întrebările”, spune Verlinde. „Problema este mai mult sociologică decât științifică, din păcate.” El nu crede că cele două abordări sunt în conflict: „Întotdeauna m-am gândit că teoria corzilor și PKG fac parte din aceeași descriere. PKG este o metodă, nu o teorie. Aceasta este o metodă de a gândi despre mecanica cuantică și geometrie. Aceasta este o metodă pe care teoreticienii corzilor o pot folosi și o fac deja. Aceste lucruri nu se exclud reciproc.”
Dar nu toată lumea este convinsă. Moshe Rozali, un teoretician al corzilor la Universitatea din Columbia Britanică, rămâne sceptic cu privire la PKG: „Motivul pentru care nu lucrez la PKG este că are probleme cu SRT”, spune el. „Dacă abordarea ta este lipsită de respect față de simetriile din relativitatea specială încă de la început, vei avea nevoie de un miracol la unul dintre pașii intermediari.” Cu toate acestea, potrivit lui Rosalie, unele dintre instrumentele matematice care provin de la PCG pot fi utile. „Nu cred că este posibil să combinați PKG și teoria corzilor. Dar oamenii au nevoie de obicei de metode și, în acest sens, sunt asemănătoare. Metodele matematice se pot suprapune.”
De asemenea, nu toți adepții PCG se așteaptă la o fuziune a celor două teorii. Carlo Rovelli, fizician la Universitatea din Marsilia și fondator al teoriei PCG crede în dominația teoriei sale. „Comunitatea de corzi nu este la fel de arogantă ca acum zece ani, mai ales după dezamăgirea lipsei particulelor supersimetrice”, spune el. – Este posibil ca cele două teorii să facă parte dintr-o singură soluție... dar cred că este puțin probabil. În opinia mea, teoria corzilor nu a reușit să ofere ceea ce a promis în anii 1980 și este una dintre acele idei care arată frumos, dar nu descriu lumea reală, de care istoria științei a fost plină. Nu înțeleg cum oamenii își mai pot pune speranța în ea.”
Pullin crede că este prematur să declari victoria: „Aderenții PCG spun că teoria lor este singura corectă. Nu mă voi înscrie pentru asta. Mi se pare că ambele teorii sunt extrem de incomplete”.
Etichete: Adăugați etichete
Definiția 1
Teoria cuantică a buclei reprezintă cunoașterea gravitației buclei cuantice. Fondatorii săi au fost oameni de știință precum T. Jacobson, C. Rovelli, A. Ashtekar și L. Smolin.
Esența teoriei cuantice a buclei
Potrivit acestei teorii, timpul și spațiul constau din celule cuantice discrete conectate într-un anumit fel între ele. Acest lucru le permite să creeze o structură discretă pe scări de timp mici, iar pe scări de timp mari spațiul de timp devine continuu.
Astfel, spațiul este format din celule foarte mici, lin legate între ele, formând spațiul înconjurător pentru noi. În momentele în care aceste mănunchiuri formează noduri și încurcături, se formează particule elementare.
Datorită gravitației cuantice în buclă, oamenii de știință au reușit să afle faptul că singularitatea inițială dispare sub influența efectelor cuantice. Astfel, Big Bang-ul încetează să mai fie un văl de mister în spatele căruia nu se poate privi. Știința ne permite acum să privim evenimentele care au avut loc în Univers înaintea lui.
Principalele obiecte din teoria cuantică a buclei sunt celule speciale ale spațiului, a căror stare și comportament sunt controlate de un anumit câmp care există în ele. Valoarea sa devine așa-numitul „timp intern” pentru astfel de celule. Cu alte cuvinte, trecerea de la un câmp slab la unul mai puternic presupune existența unui „trecut” capabil să influențeze un anumit „viitor”.
În consecință, teoria echivalează spațiul cu atomii: numerele obținute la determinarea volumului formează o mulțime discretă, care permite modificarea volumului în porțiuni separate. Acest lucru, la rândul său, privează spațiul de continuitate și permite ideea existenței sale în formatul anumitor unități cuantice de volum și zonă.
Specificații teoriei cuantice a buclei
În cazul descrierii fenomenelor mecanice cuantice, fizicienii calculează probabilitatea diferitelor procese care au loc în anumite circumstanțe. Același lucru se întâmplă atunci când se folosește teoria gravitației cuantice bucle pentru a descrie schimbările în geometria spațiului sau mișcarea câmpurilor și a particulelor într-o rețea de spin.
Nota 1
Omul de știință Thomas Tiemann a reușit să obțină expresii exacte pentru a determina probabilitatea cuantică a pașilor rețelei de spin. Rezultatul final al unor astfel de calcule a fost apariția unei metodologii clare pentru calcularea probabilității oricărui proces a cărui origine este probabilă în această lume în cadrul subordonării legilor teoriei de mai sus.
Teoria relativității presupune inseparabilitatea timpului și spațiului unul de celălalt și existența lor în formatul unui singur spațiu temporal. Introducând conceptul de spațiu de timp în teoria cuantică a buclei, rețelele de spin care reprezintă spațiul devin ceea ce se numește „spumă de spin”.
Când este inclus încă un indicator de măsurare - timpul - liniile rețelei de spin se extind și se transformă în suprafețe bidimensionale, în timp ce nodurile din linie se dizolvă. Tranzițiile care provoacă schimbări în rețeaua de spin sunt acum prezentate sub formă de noduri speciale, în cadrul cărora sunt combinate liniile de spumă. Un instantaneu al unui proces în desfășurare este vizual similar cu imaginea unei secțiuni transversale a spațiului temporar.
O felie similară de spumă de spin este o rețea de spin, dar nu trebuie să ne înșeli în privința mișcărilor planului feliei într-un mod continuu, similar cu curgerea lină a timpului. Similar procesului de definire a spațiului ca o geometrie discretă a unei rețele de spin, timpul va fi definit ca o secvență de pași individuali care sunt rearanjați de rețea.
Astfel, se pot trage anumite concluzii:
- Despre caracterul discret al timpului, adică nu curge ca un râu, ci amintește mai mult de un ceas care ticăie, al cărui interval dintre ticăituri este aproximativ egal cu timpul lui Planck. Cu alte cuvinte, timpul în Univers este măsurat cu miriade de ceasuri: în regiunea în care se efectuează un pas cuantic în spuma de spin, ceasul produce un „tic”.
- Gravitația cuantică în buclă contribuie la predicțiile caracteristice ale noilor evenimente și fenomene. De fapt, este considerat a fi complet compatibil cu postulatul atât al unei lumi tridimensionale, cât și al unei dimensiuni a timpului.
- Deși este compatibil cu o gamă largă de versiuni diferite ale materiei conținute în lume, nu necesită simetrii, dimensiuni sau grade de libertate, cu excepția celor explorate de oamenii de știință.
În același timp, există versiuni de gravitație cuantică în buclă care includ supersimetria și extind multe dintre rezultate la dimensiuni mai mari. Din acest motiv, atunci când există indicii ale prezenței supersimetriei sau dimensiuni mai mari, nu apar probleme pentru teoria cuantică a buclei. În schimb, ipotezele gravitației cu bucle cuantice se vor aplica structurii spațiului pe distanțe foarte mici.
Astfel, gravitația cuantică în buclă presupune prezența în realitate a unei imagini netede a spațiului temporal al relativității generale clasice doar ca urmare a medierii unei structuri discrete, în cadrul căreia regiunile și suprafețele pot avea exclusiv anumite valori cuantificate discrete ale volumelor și zone.
Nota 2
Gravitația cuantică în buclă face posibilă obținerea unor ipoteze specifice pentru geometria discretă a cuantelor (vorbim despre distanțe scurte). Mai mult, astfel de ipoteze încep să se formeze pe baza primelor principii și, prin urmare, exclud elemente de ajustare.
În acest sens, abordările în gravitația cuantică în buclă au anumite diferențe în comparație cu alte abordări care postulează o formă de structură discretă în formatul poziției de plecare și fără a o deriva ca o consecință a combinării relativității generale cu teoria cuantică.
Diferențele dintre teoria corzilor și teoria gravitației cuantice în buclă
Oamenii de știință notează diferențele fundamentale dintre teoria cuantică a buclei și alte teorii. În special, teoria superstringurilor. În aceasta din urmă, obiectele principale sunt membrane multidimensionale și șiruri care se mișcă în timpul și spațiul pregătit inițial pentru ele. În același timp, această teorie nu ne permite să numim factorii apariției acestui spațiu multidimensional.
Teoriile de mai sus se bazează pe obiecte extinse unidimensionale corespunzând în dualitatea lor fluxului de linii ale câmpului cuantificat de gabarit. Diferențele lor se observă în trei relații:
- Șirurile sunt considerate cu proprietatea de a se deplasa într-un format clasic, care se caracterizează printr-o alegere fixă de metrici și alte câmpuri clasice. Existența buclelor este permisă să fie considerată la un nivel mai fundamental, unde alte câmpuri și metrica clasică sunt absente.
- Câmpul gauge în cazul buclelor este considerat în formatul câmpului gauge al tuturor transformărilor Lorentz sau doar al unora dintre ele. Cu șiruri deschise, un astfel de câmp va corespunde câmpului Yang-Mills.
- Gravitația cuantică în buclă permite cuantificarea fără ipoteze corespunzătoare. De fapt, din moment ce invarianța Lorentz globală nu reprezintă o simetrie a relativității generale clasice, ea nu poate fi luată în considerare în cazurile vreunei cuantizări exacte a acestei teorii.
Fondatorii „teoriei cuantice bucle a gravitației” în anii 80 ai secolului XX sunt Lee Smolin, Abey Ashtekar, Ted Jacobson (Engleză)și Carlo Rovelli. Conform acestei teorii, spațiul și timpul constau din părți discrete. Aceste celule cuantice mici ale spațiului sunt conectate între ele într-un anumit fel, astfel încât la scară mică de timp și lungime ele creează o structură pestriță, discretă a spațiului, iar la scară mare se transformă lin în spațiu-timp continuu neted.
Gravitația buclei și fizica particulelor
Unul dintre avantajele teoriei cuantice bucle a gravitației este naturalețea cu care explică Modelul standard al fizicii particulelor.
Astfel, Bilson-Thompson și coautorii au propus că teoria gravitației cuantice în buclă ar putea reproduce Modelul Standard prin unificarea automată a tuturor celor patru forțe fundamentale. În același timp, cu ajutorul preonilor, prezentați sub formă de brad (țesături din spațiu-timp fibros), a fost posibilă construirea unui model de succes al primei generații de fermioni fundamentali (quarci și leptoni) cu o mai mare sau mai mare măsură. reproducerea mai puțin corectă a taxelor și parităților lor.
Lucrarea originală Bilson-Thompson a sugerat că fermionii fundamentali de a doua și a treia generație ar putea fi reprezentați ca brad mai complexe, iar fermionii de prima generație ca fiind cei mai simple brad posibil, deși nu au fost date reprezentări specifice ale bradurilor complexe. Se crede că sarcinile electrice și de culoare, precum și paritatea particulelor aparținând generațiilor de rang superior, ar trebui obținute exact în același mod ca și pentru particulele din prima generație. Utilizarea metodelor de calcul cuantic a făcut posibil să se arate că particulele de acest fel sunt stabile și nu se degradează sub influența fluctuațiilor cuantice.
Structurile tip panglică din modelul Bilson-Thompson sunt reprezentate ca entități care constau din aceeași materie ca spațiu-timp însuși. Deși lucrările Bilson-Thompson arată cum se pot obține fermionii și bosonii din aceste structuri, întrebarea cum ar putea fi obținut bosonul Higgs folosind brading nu este discutată în ele.
L. Freidel ( L. Freidel), J. Kowalski-Glickman ( J. Kowalski-Glikman) și A. Starodubtsev în articolul lor din 2006 au sugerat că particulele elementare pot fi reprezentate folosind liniile Wilson ale unui câmp gravitațional, ceea ce implică faptul că proprietățile particulelor (masa, energia și spinul lor) pot corespunde proprietăților buclelor Wilson - obiectele de bază. a teoriei gravitației cuantice bucle . Această lucrare poate fi văzută ca un suport teoretic suplimentar pentru modelul preon Bilson–Thompson.
Folosind formalismul model spina spuma, care este direct legată de teoria gravitației cuantice în buclă, și bazată doar pe principiile inițiale ale acesteia din urmă, este, de asemenea, posibilă reproducerea altor particule ale modelului standard, cum ar fi fotoni, gluoni și gravitoni - indiferent de Bradson. -Schema Thompson pentru fermioni. Cu toate acestea, din 2006, nu a fost încă posibil să se construiască modele helon folosind acest formalism. Modelul helon nu conține brad care ar putea fi folosiți pentru construirea bosonului Higgs, dar în principiu acest model nu neagă posibilitatea existenței acestui boson sub forma unui fel de sistem compozit. Bilson-Thompson observă că, deoarece particulele cu mase mai mari au în general o structură internă mai complexă (inclusiv răsucirea bradurilor), această structură poate fi legată de mecanismul de formare a masei. De exemplu, în modelul Bilson-Thompson, structura unui foton cu masă zero corespunde cu brads nerăsuciți. Adevărat, rămâne neclar dacă modelul fotonic obținut în cadrul formalismului spumei de spin corespunde fotonului Bilson-Thompson, care în modelul său constă din trei panglici nerăsucite (este posibil ca mai multe versiuni ale modelului de fotoni să poată fi construite în cadrul spumei de spin. formalism).
Inițial, conceptul de „preon” a fost folosit pentru a desemna subparticulele punctuale incluse în structura fermionilor cu semi-spin (leptoni și quarci). După cum sa menționat deja, utilizarea particulelor punctiforme duce la paradoxul masei. În modelul Bilson-Thompson, panglicile nu sunt structuri punctuale „clasice”. Bilson-Thompson folosește termenul „preon” pentru a menține continuitatea în terminologie, dar cu acest termen se referă la o clasă mai largă de obiecte care sunt componente ale structurii quarcilor, leptonilor și bosonilor gauge.
Important pentru înțelegerea abordării Bilson-Thompson este că în modelul său preon, particulele elementare, cum ar fi electronul, sunt descrise în termeni de funcții de undă. Suma stărilor cuantice ale unei spume spin care are faze coerente este, de asemenea, descrisă în termeni de funcție de undă. Prin urmare, este posibil ca folosind formalismul spumei spin să se obțină funcții de undă corespunzătoare particulelor elementare (fotoni și electroni). În prezent, combinarea teoriei particulelor elementare cu teoria gravitației cuantice în buclă este un domeniu foarte activ de cercetare.
În octombrie 2006, Bilson-Thompson și-a modificat lucrarea, observând că, deși modelul său a fost inspirat de modele preon, nu este preon în sensul strict al cuvântului, așa că diagramele topologice din modelul său preon sunt probabil folosite în alte teorii fundamentale. , cum ar fi, de exemplu, teoria M. Restricțiile teoretice impuse modelelor preon nu sunt aplicabile modelului său, deoarece în el proprietățile particulelor elementare nu provin din proprietățile subparticulelor, ci din conexiunile acestor subparticule între ele (brads). O posibilitate este, de exemplu, „încorporarea” preonilor în teoria M sau în teoria gravitației cuantice în buclă.
Sabine Hossenfelder a propus să se ia în considerare doi candidați alternativi pentru o „teorie a totul” - teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă - ca fețe ale aceleiași monede. Pentru a ne asigura că gravitația cuantică în buclă nu contrazice teoria relativității speciale, este necesar să se introducă interacțiuni similare cu cele considerate în teoria corzilor. .
Probleme de teorie
Într-o versiune modificată a lucrării sale, Bilson-Thompson admite că problemele nerezolvate din modelul său rămân spectrul de masă al particulelor, spinurile, amestecarea Cabibbo și necesitatea de a lega modelul său de teorii mai fundamentale.
O versiune ulterioară a articolului descrie dinamica brads folosind mișcările Pachner.
Vezi si
Surse
Literatură
Note
- Smolin L. Atomi ai spațiului și timpului // În lumea științei. - 2004. - Nr. 4. - P. 18-25. - URL: http://www.chronos.msu.ru/RREPORTS/smolin_atomy/smolin_atomy.htm Copie arhivată din 23 februarie 2009 pe Wayback Machine
- , Cu. 219.
- S. Yu. Alexandrov Lorentz-covariantă buclă gravitație cuantică // TMF. - 2004. - t. 139, nr. 3. - str. 363–380. - URL:
Teoria gravitației cuantice în buclă
Ce s-a întâmplat înainte de Big Bang și de unde a venit timpul?
În teoria gravitației cuantice, spațiul neted și continuu cu care suntem obișnuiți la scară ultra-mică se dovedește a fi o structură cu o geometrie foarte complexă.(imagine de pe www.aei.mpg.de)
Întrebările din titlu nu sunt de obicei discutate de fizicieni, deoarece nu există o teorie general acceptată capabilă să le răspundă. Cu toate acestea, recent, în cadrul gravitației cuantice în buclă, a fost încă posibil să urmărim evoluția unui model simplificat al Universului înapoi în timp, chiar până în momentul Big Bang, și chiar să privim dincolo de acesta. Pe parcurs, a devenit clar cum apare timpul în acest model.
Observațiile Universului arată că, chiar și la cele mai mari scale, acesta nu este deloc staționar, ci evoluează în timp. Dacă, pe baza teoriilor moderne, urmărim această evoluție înapoi în timp, se dovedește că partea observabilă în prezent a Universului era anterior mai fierbinte și mai compactă decât acum și a început cu Big Bang - un anumit proces al apariția Universului dintr-o singularitate: o situație specială pentru care nu se aplică legile fizicii moderne.
Fizicienii nu sunt mulţumiţi de această stare de fapt: vor să înţeleagă şi procesul în sine Big bang. De aceea se fac acum numeroase încercări de a construi o teorie care să fie aplicabilă acestei situații. Deoarece gravitația a fost cea mai importantă forță în primele momente de după Big Bang, se crede că atingerea acestui obiectiv este posibilă numai în cadrul unui plan încă nedezvoltat. teoria cuantică a gravitației.
La un moment dat, fizicienii sperau că gravitația cuantică va fi descrisă folosind teoria superstringurilor, dar criza recentă a teoriilor superstringurilor a zdruncinat această încredere. În această situație, alte abordări ale descrierii fenomenelor cuantico-gravitaționale au început să atragă mai multă atenție și, în special, gravitație cuantică buclă.
În cadrul gravitației cuantice în buclă a fost obținut recent un rezultat foarte impresionant. Se pare că din cauza efectelor cuantice singularitatea initiala dispare. Big Bang-ul încetează să mai fie un punct special și este posibil nu numai să-și urmărească cursul, ci și să cercetăm ce s-a întâmplat înainte de Big Bang. Un rezumat al acestor rezultate a fost publicat recent în A. Ashtekar, T. Pawlowski, P. Singh, Physical Review Letters, 96, 141301 (12 aprilie 2006), disponibil și ca gr-qc/0602086, iar derivarea lor detaliată este raportată în zilele trecute un preprint de aceiași autori gr-qc/0604013.
Gravitația cuantică în buclă este fundamental diferită de teoriile fizice convenționale și chiar de teoria superstringurilor. Obiectele teoriei supercordurilor, de exemplu, sunt diverse corzi și membrane multidimensionale, care, totuși, zboară în interior. semipreparate pentru ei spatiu si timp. Întrebarea cum a apărut exact acest spațiu-timp multidimensional nu poate fi rezolvată într-o astfel de teorie.
În teoria buclei gravitaționale, obiectele principale sunt mici celule cuantice ale spațiului, conectate între ele într-un anumit fel. Legea conexiunii lor și a stării lor este controlată de un anumit domeniu care există în ei. Valoarea acestui câmp este pentru aceste celule un anumit „ timp intern„: trecerea de la un câmp slab la un câmp mai puternic arată exact ca și cum ar exista un fel de „trecut” care ar influența un fel de „viitor”. Această lege este concepută în așa fel încât, pentru un univers suficient de mare, cu o concentrație scăzută de energie și (adică departe de singularitate), celulele par să se „fuzioneze” între ele, formând spațiul-timp „solid” asta ne este familiar.
Autorii articolului susțin că toate acestea sunt deja suficiente pentru a rezolva problema a ceea ce se întâmplă cu Universul pe măsură ce se apropie de singularitate. Soluțiile ecuațiilor pe care le-au obținut au arătat că la „compresia” extremă a universului, spațiul „se împrăștie”, geometria cuantică nu permite ca volumul acestuia să fie redus la zero, are loc inevitabil o oprire și expansiunea începe din nou. Această secvență de stări poate fi urmărită atât înainte, cât și înapoi în „timp”, ceea ce înseamnă că în această teorie, înainte de Big Bang, există inevitabil un „Big Bang” - prăbușirea universului „anterior”. Mai mult, proprietățile acestui univers anterior nu se pierd în procesul de colaps, ci sunt transferate fără ambiguitate Universului nostru.
Calculele descrise se bazează, totuși, pe câteva ipoteze simplificatoare despre proprietățile câmpului universal. Aparent, concluziile generale se vor menține chiar și fără astfel de presupuneri, dar acest lucru trebuie încă verificat. Va fi extrem de interesant de urmărit dezvoltarea ulterioară a acestor idei.
Atomi ai spațiului și timpului
© Lee Smolin
„În lumea științei”, aprilie 2004
Lee Smolin
Dacă teoria uimitoare a gravitației cuantice în buclă este corectă, atunci spațiul și timpul, pe care le percepem ca fiind continue, sunt de fapt formate din particule discrete.
Din cele mai vechi timpuri, unii filozofi și oameni de știință au sugerat că materia ar putea fi formată din atomi minusculi, dar până acum 200 de ani puțini credeau că existența lor ar putea fi dovedită. Astăzi observăm atomi individuali și studiem particulele care îi alcătuiesc. Structura granulară a materiei nu mai este o știre pentru noi.
În ultimele decenii, fizicienii și matematicienii și-au pus întrebarea: spațiul este format din părți discrete? Este într-adevăr continuă sau este mai degrabă ca o bucată de material țesut din fibre individuale? Dacă am putea observa obiecte extrem de mici, am vedea atomi ai spațiului, particule minuscule indivizibile de volum? Dar cum rămâne cu timpul: schimbările în natură au loc fără probleme sau lumea se dezvoltă în salturi mici, acționând ca un computer?
În ultimii 16 ani, oamenii de știință s-au apropiat semnificativ de răspunsul la aceste întrebări. Conform unei teorii cu denumirea ciudată de „gravitație cuantică în buclă”, spațiul și timpul constau într-adevăr din părți discrete. Calculele efectuate în cadrul acestui concept pictează o imagine simplă și frumoasă care ne ajută să explicăm fenomenele misterioase asociate găurilor negre și Big Bang-ului. Dar principalul avantaj al teoriei menționate este că în viitorul apropiat previziunile sale pot fi verificate experimental: vom detecta atomii spațiului dacă aceștia există cu adevărat.
Quanta
Împreună cu colegii mei, am dezvoltat teoria gravitației cuantice în buclă (LQG), încercând să dezvoltăm teoria cuantică mult așteptată a gravitației. Pentru a explica importanța extremă a acestuia din urmă și relația sa cu discretitatea spațiului și timpului, trebuie să vorbesc puțin despre teoria cuantică și teoria gravitației.
Apariția mecanicii cuantice în primul sfert al secolului al XX-lea. a fost asociat cu dovada că materia este formată din atomi. Ecuațiile cuantice necesită ca anumite cantități, cum ar fi energiile unui atom, să poată lua doar anumite valori discrete. Mecanica cuantică descrie cu precizie proprietățile și comportamentul atomilor, particulelor elementare și forțele care le leagă. Cea mai de succes teorie cuantică din istoria științei stă la baza înțelegerii noastre despre chimie, fizica atomică și subatomică, electronică și chiar biologie.
În aceleași decenii ca și mecanica cuantică, Albert Einstein a dezvoltat teoria generală a relativității, care este o teorie a gravitației. Potrivit acesteia, forța gravitației apare ca urmare a îndoirii spațiului și timpului (care împreună formează spațiu-timp) sub influența materiei. 
Imaginează-ți o minge grea așezată pe o foaie de cauciuc și o minge mică care se rostogolește lângă cea mare. Bilele pot fi considerate ca Soare și Pământ, iar frunza ca spațiu. Bila grea creează o depresiune în foaia de cauciuc, de-a lungul pantei căreia bila mai mică se rostogolește spre cea mai mare, ca și cum o oarecare forță - gravitația - o trage în această direcție. În același mod, orice materie sau o grămadă de energie distorsionează geometria spațiului-timp, atrăgând particule și raze de lumină; Acest fenomen este ceea ce numim gravitație.
Separat, mecanica cuantică și teoria generală a relativității a lui Einstein au fost verificate experimental. Cu toate acestea, un caz în care ambele teorii ar putea fi testate simultan nu a fost niciodată explorat. Faptul este că efectele cuantice sunt vizibile doar la scară mică și, pentru ca efectele relativității generale să devină vizibile, sunt necesare mase mari. Este posibil să combinați ambele condiții numai în anumite circumstanțe extraordinare.
Pe lângă lipsa datelor experimentale, există o problemă conceptuală uriașă: teoria generală a relativității a lui Einstein este complet clasică, adică. non-cuantică. Pentru a asigura integritatea logică a fizicii, este necesară o teorie cuantică a gravitației, care să combine mecanica cuantică cu teoria generală a relativității într-o teorie cuantică a spațiu-timpului.
Fizicienii au dezvoltat multe procedee matematice pentru a transforma teoria clasică în teorie cuantică. Mulți oameni de știință au încercat în zadar să le aplice la teoria generală a relativității.
Calculele efectuate în anii 1960 și 1970 au indicat că mecanica cuantică și relativitatea generală nu pot fi combinate. Se părea că situația ar putea fi salvată doar prin introducerea de postulate complet noi, particule suplimentare, câmpuri sau obiecte de alt fel. Exotismul unei teorii unificate ar trebui să se manifeste numai în acele cazuri excepționale în care atât efectele mecanice cuantice, cât și cele gravitaționale devin semnificative. În încercările de a ajunge la un compromis, s-au născut direcții precum teoria răsucitorilor, geometria necomutativă și supergravitația.
Teoria corzilor este foarte populară în rândul fizicienilor, conform căreia, pe lângă cele trei dimensiuni spațiale binecunoscute, mai sunt șase sau șapte pe care nimeni nu le-a putut observa încă. Teoria corzilor prezice, de asemenea, existența multor particule și forțe elementare noi care nu au fost niciodată confirmate prin observație. Unii oameni de știință cred că face parte din așa-numita teorie M, dar, din păcate, nu a fost propusă încă o definiție precisă. Prin urmare, mulți experți sunt convinși că alternativele disponibile ar trebui explorate. Teoria noastră cuantică în buclă a gravitației este cea mai dezvoltată dintre acestea.
Lacună mare
La mijlocul anilor 1980. Noi, împreună cu Abhay Ashtekar, Ted Jacobson și Carlo Rovelli, am decis să încercăm din nou să unificăm mecanica cuantică și relativitatea generală folosind metode standard. Cert este că a existat o lacună importantă în rezultatele negative obținute în anii 1970: calculele presupuneau că geometria spațiului era continuă și netedă, indiferent cât de multe detalii am examinat-o. Oamenii priveau materia exact în același mod înainte de descoperirea atomilor.
Deci, am decis să renunțăm la conceptul de spațiu neted și continuu și să nu introducem alte ipoteze decât prevederile experimentale bine testate ale teoriei generale a relativității și mecanicii cuantice. În special, calculele noastre s-au bazat pe două principii cheie ale teoriei lui Einstein.
Prima dintre ele - independența față de mediu - proclamă că geometria spațiului-timp nu este fixă, ci este o mărime schimbătoare, dinamică. Pentru a determina geometria, este necesar să se rezolve o serie de ecuații care să țină cont de influența materiei și a energiei și. Apropo, teoria modernă a corzilor nu este independentă de mediu: ecuațiile care descriu șirurile sunt formulate într-un anumit spațiu-timp clasic (adică non-cuantic).
Al doilea principiu, numit „invarianță difeomorfă”, afirmă că suntem liberi să alegem orice sistem de coordonate pentru a afișa spațiu-timp și a construi ecuații. Un punct din spațiu-timp este definit doar de evenimentele care au loc fizic în el și nu de poziția sa într-un sistem de coordonate special (nu există coordonate speciale). Invarianța difeomorfă este o poziție fundamentală extrem de importantă a teoriei generale a relativității.
Combinând cu atenție ambele principii cu metode standard de mecanică cuantică, am dezvoltat un limbaj matematic care ne-a permis să efectuăm calculele necesare pentru a determina dacă spațiul este discret sau continuu. Spre bucuria noastră, calculele au arătat că spațiul este cuantificat! Așa am pus bazele teoriei gravitației cuantice în buclă. Apropo, termenul „buclă” a fost inventat deoarece unele calcule implicau bucle mici izolate în spațiu-timp.
Mulți fizicieni și matematicieni ne-au verificat calculele folosind diferite metode. În ultimii ani, teoria gravitației cuantice în buclă s-a consolidat datorită eforturilor oamenilor de știință din întreaga lume. Munca depusă ne permite să avem încredere în imaginea spațiu-timp pe care o voi descrie mai jos.
Teoria noastră cuantică se referă la structura spațiu-timpului la cele mai mici scări și pentru a o înțelege trebuie să ne uităm la predicțiile sale pentru o zonă sau un volum mic. Atunci când se ocupă de fizica cuantică, este important să se determine ce mărimi fizice trebuie măsurate. Imaginează-ți o anumită regiune desemnată de granița B (vezi figura de mai jos), care poate fi definită de un obiect material (de exemplu, o carcasă de fontă) sau direct de geometria spațiu-timpului (de exemplu, orizontul evenimentelor în cazul a unei găuri negre). Ce se întâmplă când măsurăm volumul zonei descrise? Care sunt rezultatele posibile permise atât de teoria cuantică, cât și de invarianța difeomorfă? Dacă geometria spațiului este continuă, atunci regiunea în cauză poate avea orice dimensiune, iar volumul său poate fi exprimat prin orice număr pozitiv real, în special, arbitrar apropiat de zero. Dar dacă geometria este granulară, atunci rezultatul măsurării poate aparține doar unui set discret de numere și nu poate fi mai mic decât un volum minim posibil. Să ne amintim ce energie poate avea un electron care orbitează un nucleu atomic? În cadrul fizicii clasice - orice, dar mecanica cuantică permite doar anumite valori discrete, strict fixate, ale energiei și. Diferența este aceeași ca între măsurarea volumului unui lichid care formează un flux continuu (din punctul de vedere al oamenilor de știință din secolul al XVIII-lea) și determinarea cantității de apă ai cărei atomi pot fi numărați.
Conform teoriei gravitației cuantice bucle, spațiul este ca atomii: numerele obținute prin măsurarea volumului formează o mulțime discretă, i.e. volumul se modifică în porții individuale. O altă mărime care poate fi măsurată este aria limitei B, care se dovedește, de asemenea, a fi discretă. Cu alte cuvinte, spațiul nu este continuu și este format din anumite unități cuantice de suprafață și volum.
Valorile posibile ale volumului și ariei sunt măsurate în unități derivate din lungimea Planck, care este legată de forța gravitației, mărimea cuantelor și viteza luminii. Lungimea Planck este foarte mică: 10 -33 cm; determină scara la care geometria spaţiului nu mai poate fi considerată continuă. Cea mai mică zonă posibilă diferită de zero este aproximativ egală cu pătratul lungimii Planck, sau 10 -66 cm 2 . Cel mai mic volum posibil, altul decât zero, este un cub de lungime Planck sau 10 -99 cm 3 . Astfel, conform teoriei, fiecare centimetru cub de spațiu conține aproximativ 10 99 de atomi de volum. Cuantumul de volum este atât de mic încât există mai multe astfel de cuante într-un centimetru cub decât centimetri cubi în Universul vizibil (10 85).
Rețele de rotire
Cum arată cuantele de volum și suprafață? Poate că spațiul constă dintr-un număr mare de cuburi sau sfere minuscule? Nu, nu este atât de simplu. Înfățișăm stările cuantice ale volumului și ariei sub formă de diagrame, care nu sunt lipsite de frumusețea lor. Imaginați-vă o zonă de spațiu în formă de cub (vezi figura de mai jos Trepte și spumă
Particulele și câmpurile nu sunt singurele obiecte în mișcare. Conform teoriei generale a relativității, atunci când materia și energia se mișcă, spațiul este modificat; undele pot chiar să treacă prin el, ca ondulațiile pe un lac. În teoria gravitației cuantice bucle, astfel de procese sunt reprezentate de transformări discrete ale rețelei de spin, în care conectivitatea graficelor se modifică pas cu pas (vezi figura de mai jos).
Când descriu fenomene mecanice cuantice, fizicienii calculează probabilitatea diferitelor procese. Facem același lucru atunci când folosim teoria gravitației cuantice bucle pentru a descrie schimbarea geometriei spațiului sau mișcarea particulelor și câmpurilor într-o rețea de spin. Thomas Thiemann de la Institutul pentru Fizică Teoretică din Waterloo a obținut expresii precise pentru calcularea probabilității cuantice a pașilor rețelei de spin. Drept urmare, a apărut o procedură clară pentru calcularea probabilității oricărui proces care poate avea loc într-o lume guvernată de regulile teoriei noastre pe deplin formate. Rămâne doar să calculăm și să facem predicții despre ceea ce poate fi observat în anumite experimente.
În teoria relativității, spațiul și timpul sunt inseparabile și reprezintă un singur spațiu-timp. Când conceptul de spațiu-timp este introdus în teoria gravitației cuantice bucle, rețelele de spin care reprezintă spațiul se transformă în așa-numita spumă de spin. Odată cu adăugarea unei alte dimensiuni - timpul - liniile rețelei de spin se extind și devin suprafețe bidimensionale, iar nodurile se întind în linii. Tranzițiile în care se modifică rețeaua de spin (pași descriși mai sus) sunt acum reprezentate de noduri în care converg liniile de spumă. Viziunea spațiu-timpului ca o spumă rotativă a fost propusă de mai mulți cercetători, inclusiv Carlo Rovelli, Mike Reisenberger, John Barrett, Louis Crane, John Baez) și Fotini Markopoulou.
Un instantaneu a ceea ce se întâmplă este ca o secțiune transversală a spațiu-timpului. O felie similară de spumă de spin reprezintă o rețea de spin. Cu toate acestea, nu vă înșelați că planul de felie se mișcă continuu ca un flux lin al timpului. Așa cum spațiul este definit de geometria discretă a unei rețele de spin, timpul este definit de o succesiune de pași individuali care rearanjează rețeaua (vezi figura de la pagina 55). Astfel, timpul este și el discret. Timpul nu curge ca un râu, ci ticăie ca un ceas. Intervalul dintre „căpușe” este aproximativ egal cu timpul Planck, sau 10 -43 s. Mai precis, timpul în Universul nostru este măsurat prin miriade de ceasuri: acolo unde are loc un pas cuantic în spuma de spin, ceasul face un „tic”.
Predicții și teste
Teoria gravitației cuantice bucle descrie spațiul și timpul pe scara Planck, care este prea mică pentru noi. Deci, cum îl testăm? În primul rând, este foarte important să aflăm dacă relativitatea generală clasică poate fi derivată ca o aproximare a gravitației cuantice în buclă. Cu alte cuvinte, dacă rețelele de spin sunt ca firele din care este țesută o țesătură, atunci întrebarea este dacă va fi posibil să se calculeze corect proprietățile elastice ale unei bucăți de material prin medierea a mii de fire. Obținem o descriere a „țesăturii netede” a spațiului clasic Einstein dacă facem media rețelei de spin pe mai multe lungimi Planck? Recent, oamenii de știință au rezolvat cu succes această problemă complexă pentru mai multe cazuri speciale, ca să spunem așa, pentru anumite configurații materiale. De exemplu, undele gravitaționale de joasă frecvență care se propagă în spațiu plat (necurbat) pot fi considerate ca excitație a anumitor stări cuantice descrise în conformitate cu teoria gravitației cuantice în buclă.
Un test bun pentru gravitația cuantică în buclă s-a dovedit a fi unul dintre misterele de lungă durată despre termodinamica găurilor negre și, în special, despre entropia lor. Fizicienii au dezvoltat un model termodinamic al unei găuri negre, bazându-se pe o teorie hibridă în care materia este tratată mecanic cuantic, dar spațiu-timp nu. În special, în anii 1970. Jacob D. Bekenstein a dedus că entropia unei găuri negre este proporțională cu suprafața acesteia (vezi articolul „Informații în universul holografic”, „În lumea științei”, nr. 11, 2003). Stephen Hawking a ajuns curând la concluzia că găurile negre, în special cele mici, ar trebui să emită radiații.
Pentru a efectua calcule similare în cadrul teoriei gravitației cuantice bucle, considerăm că granița regiunii B este orizontul de evenimente al găurii negre. Analizând entropia stărilor cuantice corespunzătoare, obținem exact predicția lui Bekenstein. Cu același succes, teoria noastră nu numai că reproduce predicția lui Hawking despre radiația unei găuri negre, dar ne permite și să descriem structura fină a acesteia. Dacă se observă vreodată o gaură neagră microscopică, previziunile teoretice ar putea fi testate prin studierea spectrului ei de emisie.
În general, orice verificare experimentală a teoriei gravitației cuantice bucle este plină de dificultăți tehnice enorme. Efectele caracteristice descrise de teorie devin semnificative doar pe scara lungimii Planck, care este cu 16 ordine de mărime mai mică decât ceea ce poate fi studiat în viitorul apropiat la cele mai puternice acceleratoare (studiul unor scări mai mici necesită energie mai mare).
Cu toate acestea, oamenii de știință au propus recent mai multe modalități accesibile de a testa gravitația cuantică în buclă. Lungimea de undă a luminii care se propagă într-un mediu suferă o distorsiune, ceea ce duce la refracția și dispersia razelor. Metamorfoze similare apar cu lumina și particulele care se deplasează printr-un spațiu discret descris de o rețea de spin.
Din păcate, amploarea efectelor menționate este proporțională cu raportul dintre lungimea Planck și lungimea de undă. Pentru lumina vizibilă nu depășește 10 -28, iar pentru razele cosmice cu cea mai mare energie este de aproximativ o miliardime. Cu alte cuvinte, granularitatea structurii spațiului are un efect extrem de slab asupra aproape oricărei radiații observabile. Dar cu cât distanța parcurge lumina este mai mare, cu atât sunt mai vizibile consecințele discretității rețelei de spin. Echipamentele moderne ne permit să detectăm radiația exploziilor de raze gamma situate la miliarde de ani lumină distanță (vezi articolul „Cele mai strălucitoare explozii din univers”, „În lumea științei”, nr. 4, 2003).
Folosind teoria gravitației cuantice în buclă, Rodolfo Gambini și Jorge Pullin au descoperit că fotonii de diferite energii ar trebui să călătorească la viteze ușor diferite și să ajungă la observator în momente diferite (vezi figura de mai jos). Observațiile prin satelit ale exploziilor de raze gamma ne vor ajuta să testăm acest lucru. Precizia instrumentelor moderne este de 1.000 de ori mai mică decât este necesar, dar deja în 2006 va fi lansat observatorul prin satelit GLAST, al cărui echipament de precizie va permite realizarea mult așteptatului experiment.
Există aici o contradicție cu teoria relativității, care postulează constanța vitezei luminii? Împreună cu Giovanni Amelino-Camelia și Joao Magueijo, am dezvoltat versiuni modificate ale teoriei lui Einstein care permit existența fotonilor de înaltă energie care călătoresc la viteze diferite. La rândul său, constanța vitezei se aplică fotonilor cu energie scăzută, adică. la lumina cu unde lungi.
O altă posibilă manifestare a discretității spațiu-timpului este asociată cu razele cosmice de foarte mare energie și. Cu mai bine de 30 de ani în urmă, oamenii de știință au stabilit că protonii razelor cosmice cu o energie mai mare de 3 * 10 19 eV ar trebui să fie împrăștiați de spațiul cosmic de umplere a fundalului cu microunde și, prin urmare, nu vor ajunge niciodată pe Pământ. Cu toate acestea, experimentul japonez AGASA a înregistrat mai mult de 10 evenimente cu raze cosmice de energie și mai mare și. S-a dovedit că discretitatea spațiului crește energia necesară pentru reacția de dispersie și permite protonilor de înaltă energie să viziteze planeta noastră. Dacă observațiile oamenilor de știință japonezi sunt confirmate și nu se găsește nicio altă explicație, atunci putem presupune că discretitatea spațiului a fost confirmată experimental.
Spaţiu
Teoria gravitației cuantice în buclă ne obligă să aruncăm o nouă privire asupra originii Universului și ne ajută să ne imaginăm ce s-a întâmplat imediat după Big Bang. În conformitate cu teoria generală a relativității, a existat primul moment, zero al timpului din istoria universului, care nu este în concordanță cu fizica cuantică. Calculele lui Martin Bojowald bazate pe teoria în buclă a gravitației cuantice indică faptul că Big Bang-ul a fost de fapt un Big Bounce, deoarece Universul se prăbușise rapid înaintea lui. Teoreticienii lucrează deja la noi modele ale etapelor incipiente ale dezvoltării Universului, care vor fi testate în curând în observații cosmologice. Este posibil ca tu și cu mine să avem norocul să aflăm ce s-a întâmplat înainte de Big Bang.
Nu mai puțin serioasă este întrebarea constantei cosmologice: este densitatea de energie u care pătrunde în spațiul „gol” pozitivă sau negativă? Observațiile fondului cosmic cu microunde și ale supernovelor îndepărtate indică faptul că există energie întunecată. Mai mult, este pozitiv pentru că Universul se extinde într-un ritm accelerat. Din punctul de vedere al teoriei gravitației cuantice bucle, nu există nicio contradicție aici: încă din 1990, Hideo Kodama a compilat ecuații care descriu cu exactitate starea cuantică a Universului cu o constantă cosmologică pozitivă.
O serie de probleme, inclusiv cele pur tehnice, nu au fost încă rezolvate. Ce ajustări ar trebui făcute la teoria relativității speciale la energii extrem de mari (dacă există)? Va ajuta teoria gravitației cuantice în buclă să demonstreze că diverse forțe, inclusiv gravitația, sunt aspecte ale unei singure forțe fundamentale?
Poate că gravitația cuantică în buclă este cu adevărat o teorie generală cuantică a relativității, deoarece nu se bazează pe alte presupuneri suplimentare decât principiile de bază ale mecanicii cuantice și teoria lui Einstein. Concluzia despre caracterul discret al spațiului-timp descrisă de spuma de spin decurge direct din teoria însăși și nu este introdusă ca postulat.
Totuși, tot ce am discutat aici este teorie. Poate că spațiul este de fapt neted și continuu pe orice scară, indiferent cât de mic. Apoi, fizicienii vor trebui să introducă postulate radicale suplimentare, ca în cazul teoriei corzilor. Și din moment ce experimentul va decide în cele din urmă totul, am o veste bună - situația poate deveni mai clară în viitorul apropiat.
Literatură suplimentară:
 |  |  |  |
CONCLUZIA PRINCIPALĂ a teoriei gravitației cuantice bucle se referă la volume și zone. Să luăm în considerare regiunea spațiului limitată de învelișul sferic B (vezi mai sus). Conform fizicii clasice (non-cuantice), volumul său poate fi exprimat prin orice număr pozitiv real. Cu toate acestea, conform teoriei gravitației cuantice bucle, există un volum absolut diferit de zero (aproximativ egal cu cubul lungimii Planck, adică 10 99 cm 3), iar valorile volumelor mai mari sunt o serie discretă. de numere. De asemenea, există o zonă minimă diferită de zero (aproximativ pătratul lungimii Planck, sau 10 66 cm 2 ) și o gamă discretă de suprafețe permise mai mari. Spectrele discrete ale zonelor cuantice admisibile (stânga) și volumelor cuantice (centru) sunt în general similare cu nivelurile de energie cuantică discrete ale atomului de hidrogen (dreapta).
 |
 |
DIAGRAMELE NUMITE REȚELE DE ROTIRE sunt folosite pentru a reprezenta stările cuantice ale spațiului la o scară de lungime minimă. De exemplu, un cub (a) este un volum înconjurat de șase fețe pătrate. Rețeaua de spin corespunzătoare (b) conține un punct (nod) reprezentând volumul și șase linii reprezentând marginile. Numărul de lângă nod indică volumul, iar numărul de lângă linie indică zona feței corespunzătoare. În cazul în cauză, volumul este egal cu opt unități Planck cubice, iar fiecare dintre fețe are o suprafață de patru unități Planck pătrate. (Regulile gravitației cuantice bucle limitează valorile admisibile ale volumelor și ariilor la anumite valori: doar anumite combinații de numere pot fi localizate la linii și la noduri.)
Dacă o piramidă (c) este plasată pe fața superioară a unui cub, atunci linia care reprezintă acea față în rețeaua de spin trebuie să conecteze nodul cubului de nodul piramidal (d). Liniile corespunzătoare celor patru fețe libere ale piramidei și celor cinci fețe libere ale cubului ar trebui să se extindă de la nodurile corespunzătoare. (Pentru a simplifica diagrama, numerele au fost omise.)
În general, într-o rețea de spin, o cuante de zonă este reprezentată de o linie (e), iar o zonă compusă din mai multe cuante este desemnată de mai multe linii (f). În mod similar, un volum cuantic este reprezentat de un nod (g), în timp ce un volum mai mare conține multe noduri (h). Astfel, volumul din interiorul unei învelișuri sferice este dat de suma tuturor nodurilor conținute în acesta, iar aria suprafeței este egal cu suma tuturor liniilor care trec prin limita regiunii.
Rețelele de spin sunt mai fundamentale decât construcțiile de poliedre: orice combinație de poliedre poate fi reprezentată printr-o diagramă corespunzătoare, dar unele rețele de spin obișnuite reprezintă combinații de volume și zone care nu pot fi construite din poliedre. Astfel de rețele de spin apar atunci când spațiul este curbat de câmpuri gravitaționale puternice sau de fluctuații cuantice ale geometriei la scara Planck.
O SCHIMBARE în FORMA spațiului atunci când materia și energia se mișcă în el și când undele gravitaționale trec prin el este descrisă prin rearanjamente discrete, trepte ale rețelei de spin. În fig. și un grup conectat de cuante de trei volume se contopește într-una singură; Procesul invers este de asemenea posibil. În fig. b două volume împart spațiul și sunt conectate la volumele adiacente într-un mod diferit. Când sunt reprezentate ca poliedre, două poliedre sunt unite de-a lungul feței lor comune și apoi se despart, ca atunci când cristalele sunt împărțite de-a lungul unui alt plan. Astfel de pași în rețeaua de spin apar nu numai cu schimbări mari în geometria spațiului, ci și cu fluctuații cuantice continue pe scara Planck.
O altă modalitate de a reprezenta pașii este să adăugați o altă dimensiune diagramei - timpul. Rezultatul este spuma de centrifugare (c). Liniile rețelei de spin devin plane, iar nodurile se transformă în linii. O felie de spumă de spin la un anumit moment în timp reprezintă o rețea de spin. După ce am făcut o serie de astfel de tăieturi, vom obține cadre ale unui film care vorbește despre dezvoltarea rețelei de spin în timp (d). Dar rețineți că evoluția, care la prima vedere pare lină și continuă, are loc de fapt în explozii. Toate rețelele de spin care conțin o linie portocalie (primele trei cadre) afișează exact aceeași geometrie a spațiului.Lungimea liniilor nu contează - pentru geometrie, tot ce contează este modul în care sunt conectate liniile și ce număr este fiecare dintre ele. marcat cu. Aceasta este ceea ce determină poziția relativă și dimensiunea cuantelor de volum și suprafață. Deci, în Fig. d, în timpul primelor trei cadre geometria rămâne constantă - 3 cuante de volum și 6 cuante de arie. Apoi spațiul se schimbă brusc: rămân 1 cuantă de volum și 3 cuante de arie, așa cum se arată în ultimul cadru. Astfel, timpul determinat de spuma de centrifugare nu se modifică continuu, ci într-o succesiune de pași discreti bruște.
Și, deși pentru claritate, astfel de secvențe sunt afișate ca cadre de film, este mai corect să considerăm evoluția geometriei ca o atingere discretă a unui ceas. Cu o „bifă” există un cuantum portocaliu de zonă; data viitoare, a dispărut: de fapt, dispariția sa este ceea ce definește „căpușa”. Intervalul dintre „căpușe” succesive este aproximativ egal cu timpul Planck (10 -43 s), dar între ele nu există timp; nu poate exista „între”, la fel cum nu există apă între două molecule de H 2 O învecinate.
CÂND o explozie de raze gamma are loc la MILIARDE de ani lumină distanță, explozia instantanee produce o cantitate gigantică de raze gamma. În conformitate cu teoria gravitației cuantice bucle, un foton care se mișcă de-a lungul unei rețele de spin ocupă mai multe linii în fiecare moment de timp, adică. ceva spațiu (în realitate, există o mulțime de linii pe cuantum de lumină, și nu cinci, așa cum se arată în figură). Natura discretă a spațiului face ca razele gamma să aibă o energie mai mare și să călătorească puțin mai repede. Diferența este neglijabilă, dar în timpul călătoriilor în spațiu efectul se acumulează de-a lungul miliardelor de ani. Dacă razele gamma de diferite energii generate în timpul exploziei ajung pe Pământ în momente diferite, aceasta este o dovadă în favoarea teoriei gravitației cuantice în buclă.Lansarea satelitului GLAST este planificată pentru 2006, la bord care va fi echipat cu un dispozitiv suficient de sensibil. echipamente pentru detectarea radiațiilor gamma de dispersie.
Ecologia cunoașterii: „Cred că sunt prea multe lucruri bune care s-au întâmplat în teoria corzilor pentru ca aceasta să fie complet greșită. Oamenii nu o înțeleg foarte bine, dar pur și simplu nu cred în designul cosmic uriaș care a creat
„Cred că sunt prea multe lucruri bune care s-au întâmplat în teoria corzilor pentru ca aceasta să fie complet greșită. Oamenii nu o înțeleg foarte bine, dar pur și simplu nu cred într-un design cosmic gigantic care a creat acest lucru incredibil și că nu are nimic de-a face cu lumea reală”, a spus Edward Whitten odată.
Fără îndoială, din punct de vedere matematic, teoriile incredibile, frumoase și elegante nu lipsesc. Dar nu toate sunt potrivite pentru Universul nostru fizic. Se pare că pentru fiecare idee genială care descrie cu acuratețe ceea ce putem observa și măsura, există cel puțin o idee genială care încearcă să descrie aceleași lucruri, dar rămâne fundamental greșită. Săptămâna trecută am pus o întrebare care se rezumă la ceva de genul acesta.
Gravitația cuantică. Am dori să știm dacă s-au înregistrat progrese în acest domeniu în ultimii cinci până la zece ani. Ni se pare, muritorilor de rând, că acest domeniu este puțin blocat, iar teoria corzilor a început să cadă în uitare, deoarece este greu de testat și are 10^500 de soluții posibile. Este acest lucru adevărat sau se întâmplă ceva progres undeva în culise la care presa pur și simplu nu le acordă atenție?
În primul rând, merită să trasăm o linie mare între ideea gravitației cuantice, soluția teoriei corzilor (sau soluția propusă) și alte alternative.
Să începem cu Universul pe care îl cunoaștem și îl iubim. Pe de o parte, există teoria generală a relativității, teoria noastră a gravitației. Susține că, în loc să fie o simplă acțiune la distanță, așa cum a lăsat moștenirea Newton, cu toate masele în toate locurile exercitând forțe una asupra celeilalte în proporție inversă cu pătratul distanței dintre ele, se bazează pe un mecanism mai subtil.
Masa, așa cum a stabilit Einstein cu principiul echivalenței și E=mc^2 în 1907, a fost o formă de energie în Univers. Această energie, la rândul său, îndoaie însăși țesătura spațiu-timpului, schimbând calea tuturor obiectelor și schimbând ceea ce observatorul ar putea observa ca o rețea carteziană. Obiectele nu sunt accelerate de o forță invizibilă, ci mai degrabă călătoresc pe o cale determinată de influența tuturor diferitelor forme de energie din Univers.
Aceasta este gravitația.
Pe de altă parte, avem alte legi ale naturii: cele cuantice. Există electromagnetismul, care este responsabil de particulele încărcate electric, de mișcarea lor și care este descris de fotonul purtător de forță, care acționează ca mediator în aceste interacțiuni și ne oferă fenomene pe care le asociem cu electrostatică și magnetism. Există, de asemenea, două forțe nucleare: forța nucleară slabă, care este responsabilă pentru fenomene precum dezintegrarea radioactivă, și forța nucleară puternică, care ține nucleele atomice împreună și permite existența protonilor și neutronilor.
Calculele pentru aceste forțe apar de obicei în spațiu-timp plat, care este locul în care fiecare student își începe studiul teoriei câmpurilor cuantice. Dar acest lucru nu este suficient atunci când suntem prezenți în spațiul curbat, așa cum este dictat de relativitatea generală.
„Așadar”, spuneți, „ne vom efectua doar calculele teoriei câmpului pe fundalul spațiului curbat!” Aceasta este cunoscută sub numele de gravitație semiclasică, iar acest tip de calcul ne permite să calculăm lucruri precum radiația Hawking. Dar chiar și acest lucru este disponibil doar la orizontul găurii negre în sine și nu acolo unde gravitația va fi în toată gloria ei. Există multe cazuri fizice în care am beneficia de o teorie cuantică a gravitației și toate implică fizica gravitațională la cele mai mici scale, la distanțe mici.
Ce se întâmplă, de exemplu, în regiunile centrale ale găurilor negre? S-ar putea să vă gândiți: „Oh, există o singularitate acolo”, dar o singularitate nu este atât un punct cu densitate infinită, cât este un exemplu în care instrumentul matematic al relativității generale scuipă răspunsuri fără sens la întrebări despre potențiale și forțe. Ce se întâmplă când un electron trece printr-o fantă dublă? Câmpul gravitațional trece prin ambele fante? Sau dupa una? Teoria generală a relativității nu spune nimic despre asta.
Se crede că trebuie să existe o teorie cuantică a gravitației care să explice aceste și alte probleme inerente unei teorii „netede” a gravitației precum relativitatea generală. Pentru a explica ce se întâmplă la distanțe scurte în prezența surselor gravitaționale - sau a maselor - avem nevoie de o teorie a gravitației cuantică, discretă și, prin urmare, bazată pe particule.
Datorită proprietăților relativității generale în sine, știm deja ceva.
Forțele cuantice cunoscute sunt determinate de acțiunea particulelor cunoscute sub numele de bosoni sau particule cu spin întreg. Fotonii mediază forța electromagnetică, bosonii W și Z mediază forța nucleară slabă, iar gluonii mediază forța nucleară puternică. Toate aceste particule au un spin de 1, iar pentru particulele masive spinul poate fi -1, 0 sau +1, în timp ce pentru particulele fără masă (cum ar fi gluonii și fotonii) poate fi doar -1 sau +1.
Bosonul Higgs este, de asemenea, un boson, dar nu acționează ca intermediar pentru forțe și are un spin de 0. Din câte știm gravitația - GTR este o teorie tensorală a gravitației - mediatorul său ar trebui să fie o particulă fără masă cu spin 2 , ceea ce înseamnă că rotirea sa poate lua doar valoarea -2 sau +2.
Se pare că știm ceva despre teoria cuantică a gravitației chiar înainte de a încerca să o formulăm. Știm acest lucru pentru că oricare ar fi teoria cuantică a gravitației, ea trebuie să fie în concordanță cu relativitatea generală atunci când avem de-a face cu distanțele cele mai mici până la particule sau obiecte masive, la fel cum relativitatea generală trebuie redusă la gravitația newtoniană în regimul câmpului slab. .
Marea întrebare, desigur, este cum să faci asta. Cum se cuantifică gravitația astfel încât să fie corectă (în descrierea realității), corelată cu relativitatea generală și QFT și să conducă la predicții calculabile ale unor noi fenomene care pot fi observate, măsurate sau verificate.
Concurentul principal, după cum știți, este teoria corzilor.
Teoria corzilor este un domeniu interesant care include toate modelele standard de câmpuri și particule, fermioni și bozoni. Include o teorie tensor-scalară a gravitației cu 10 dimensiuni: cu 9 dimensiuni spațiale și 1 timp și un parametru de câmp scalar. Dacă eliminăm șase dintre aceste dimensiuni spațiale (printr-un proces neînțeles pe deplin pe care oamenii îl numesc compactare) și lăsăm parametrul (ω), care definește interacțiunea scalară, să meargă la infinit, putem restabili relativitatea generală.
Cu toate acestea, teoria corzilor are o serie de probleme fenomenologice. Una dintre ele este că teoria implică un număr mare de particule noi, inclusiv toate cele supersimetrice, pe care nu le-am descoperit încă. Acesta susține că nu este nevoie de „parametrii liberi” pe care îi are Modelul Standard (pentru masele de particule), dar înlocuiește această problemă cu una și mai gravă. Când vorbim despre 10^500 de soluții posibile, aceste soluții se referă la valorile așteptate ale câmpurilor șir, și nu există niciun mecanism de reconstrucție a acestora; pentru ca teoria corzilor să funcționeze, ar trebui să renunți la dinamică și să spui doar „trebuia să fie ales antropic”.
Cu toate acestea, teoria corzilor nu este singurul jucător în acest domeniu.
Gravitația cuantică în buclă
PKG este un mod interesant de a privi problema: mai degrabă decât să încerce să cuantizeze particulele, PKG susține că spațiul în sine este discret. Cum este reprezentată de obicei gravitația: o foaie întinsă cu o minge de bowling în centru. De asemenea, știm că foaia este de obicei cuantizată, adică este alcătuită din molecule, care sunt formate din atomi, care sunt formate din nuclee (quarci și gluoni) și electroni.
Spațiul poate fi același! Deoarece acționează ca o țesătură, constă din elemente cuantificate finite. Și, poate, țesut din „bucle”, de unde provine numele său. Conectați aceste bucle împreună și obțineți o rețea care reprezintă starea cuantică a câmpului gravitațional. Conform acestei imagini, nu numai materia este cuantificată, ci și spațiul însuși. Acest domeniu științific este încă în curs de dezvoltare.
Gravitație sigură asimptotic
Libertatea asimptotică a fost dezvoltată în anii 1970 pentru a explica natura neobișnuită a forței puternice: a fost o forță foarte slabă pe distanțe extrem de scurte, care a devenit mai puternică pe măsură ce particulele încărcate se deplasau din ce în ce mai departe. Spre deosebire de electromagnetism, care avea o constantă de interacțiune mică, interacțiunea puternică a avut una mare. Datorită unor proprietăți interesante ale cromodinamicii cuantice, dacă vă asociați cu un sistem neutru (colorat), puterea interacțiunii scade rapid. Acest lucru ar putea fi explicat prin dimensiunile fizice ale barionilor (protoni și neutroni, de exemplu) și mezonilor (pioni, de exemplu).
Libertatea asimptotică, pe de altă parte, a rezolvat problema fundamentală cu aceasta: nu doriți interacțiuni mici, cuplari (sau cuplari care tind spre zero), ci mai degrabă cuplari care vor fi pur și simplu finite la limita de energie înaltă. Toate constantele de cuplare variază în funcție de energie, iar libertatea asimptotică stabilește un punct fix de energie mare pentru constantă (din punct de vedere tehnic, pentru grupul de renormalizare din care este extrasă constanta de cuplare) și orice altceva poate fi calculat pentru energii joase.
Cel puțin asta e ideea. Ne-am dat seama cum să facem acest lucru pentru 1 + 1 dimensiuni (una spațială și una de timp), dar nu pentru 3 + 1. Cu toate acestea, se înregistrează progrese, mulțumită în mare parte lui Christoph Wetterich, care a publicat două lucrări monumentale în anii 90. Mai recent, Wetterich a folosit libertatea asimptotică – cu doar șase ani în urmă – pentru a calcula o predicție a masei bosonului Higgs înainte ca LHC să o găsească. Rezultatul?
În mod surprinzător, predicțiile sale au coincis perfect cu descoperirile LHC. Aceasta este o predicție atât de excelentă încât, dacă siguranța asimptotică este corectă și masele quarcului superior, bosonului W și bosonului Higgs sunt în sfârșit stabilite, fizica nu va avea nevoie de alte particule fundamentale pentru a funcționa constant până la valorile Planck.
Deși gravitația sigură asimptotic nu a primit prea multă atenție, ea rămâne o teorie foarte atractivă și promițătoare, ca și teoria corzilor: cuantifică cu succes gravitația, reduce relativitatea generală la limita de energie scăzută și rămâne UV-finită. De asemenea, bate teoria corzilor într-un fel: nu are un munte întreg de material nou pe care să nu-l putem dovedi încă.
Triangularea dinamică cauzală
Această idee este destul de nouă și a fost dezvoltată în 2000 de Renata Loll în colaborare cu alți oameni de știință. Este de acord cu gravitația cuantică în buclă, deoarece spațiul este discret, dar este preocupat în primul rând de modul în care spațiul respectiv evoluează. Una dintre proprietățile interesante ale acestei idei este că timpul trebuie să fie și discret. Ca rezultat, obținem un spațiu-timp cu patru dimensiuni în timpul prezent, dar la energii foarte mari și distanțe mici (pe scara Planck) apare ca o structură bidimensională. Se bazează pe o structură matematică numită simplex, care este o generalizare n-dimensională a unui triunghi. Un 2-simplex este un triunghi, un 3-simplex este un tetraedru și așa mai departe. Una dintre trăsăturile „frumoase” ale acesteia vine sub forma cauzalității – un concept cunoscut de mulți – care se păstrează în triangulația dinamică cauzală. Poate fi capabil să explice gravitația, dar nu este 100% clar dacă Modelul Standard al particulelor elementare se poate încadra în acest cadru.
Gravitația emergentă (indusă).
Poate cea mai controversată dintre teoriile recente ale gravitației cuantice este gravitația entropică, propusă de Eric Verlinde în 2009, conform căreia gravitația nu este o forță fundamentală, ci mai degrabă apare ca un fenomen legat de entropie. De fapt, rădăcinile gravitației emergente se întorc la descoperitorul condițiilor pentru formarea asimetriei materie-antimaterie, Andrei Saharov, care a propus această idee încă din 1967. Lucrarea este încă la început, dar s-au înregistrat unele progrese în domeniu în ultimii 5-10 ani.
Aceasta este ceea ce avem astăzi despre gravitația cuantică. Suntem încrezători că fără ea nu vom înțelege funcționarea Universului la un nivel fundamental, dar nu avem idee în care dintre cele cinci (și alte) direcții prezentate va fi corectă mișcarea. publicat
