Šiuolaikinė fizika dešimtmečius siekė tokio pat ambicingo, kaip ir būtino tikslo: pateikti kvantinį gravitacijos aprašymąTai ne intelektualinė užgaida, o gamtos reikalavimas užtikrinti darną: jei kitos fundamentalios sąveikos turi tvirtą kvantinį formalizmą, logiška manyti, kad gravitacija, ketvirtoji ginčijama sąveika, taip pat gali būti nagrinėjama pagal kvantinės mechanikos taisykles.
Bendroji reliatyvumo teorija nepaprastai sėkmingai paaiškino, kaip erdvėlaikio kreivės Esant masei ir energijai, kodėl šviesą kreipia intensyvūs gravitaciniai laukai, kaip galaktikos evoliucionuoja dideliu mastu arba kas vyksta šalia juodosios skylės. Nepaisant to, yra ribinių reiškinių – pačių kraštutinių ir mikroskopinių – kur jų lygtys tampa nepakankamos ir... suderinamumas su kvantine mechanika Jis ištirpsta kaip cukraus kubelis.
Ką mes suprantame kvantine gravitacija?
Po vadinamosios kvantinės gravitacijos skėčiu sugrupuoti bandymai suderinti, remiantis tuo pačiu principu, Kvantinio lauko teorija ir Einšteino reliatyvumasIki šiol nėra patikrintos ir bendruomenės pripažintos teorijos, kuri tai pasiektų, tačiau turime stiprių kandidatų ir platų spektrą vienas kitą papildančių pasiūlymų.
Lenktynėse pirmauja du pagrindiniai požiūriai: stygų teorija ir kilpos kvantinė gravitacija (arba kilpų). Greta šių orbitų alternatyvų su labai skirtingais skoniais, tokiais kaip tvistorių teorija, nekomutacinė geometrija, supaprastinta kvantinė gravitacija, euklidinė kvantinė gravitacija arba formuluotės, pagrįstos nuliniai paviršiai reliatyvumo teorijojeJo įvairovė tiksliai iliustruoja iššūkio sudėtingumą.
Motyvacija aiški: mikroskopinį pasaulį valdo kvantinės taisyklės, tikimybinis ir diskretusNors gravitacija nuolat išlenkia erdvėlaikio drobę, kai bandome juos sujungti be tolesnių svarstymų, atsiranda begalybės, neatitikimai ir lygtys, kurios tiesiog nesutampa.
Du prieštaringi požiūriai: didelės energijos ir reliatyvistai
Daugeliui tų, kurie dirba dalelių ir didelės energijos fizikos srityje, gravitacija yra silpnesnė sąveikaTai dar vienas reiškinys, kurį turėtų būti galima aprašyti standartine kvantinio lauko teorija. Šiuo požiūriu ieškoma „gravitono“ arba gravitacinio lauko sužadinimo, kuris atitiktų tą pačią sistemą kaip ir elektromagnetizmas, silpna ir stipri sąveika, kaip pasiekta standartiniame modelyje.
Remiantis šia mintimi, stygų teorija teigia, kad dalelės yra ne taškai, o vienmačiai siūlai kurio virpesių režimai sukelia visas daleles ir jėgas. Tame inventoriuje gravitacija pasireiškia kaip specifinis stygos sužadinimas, ir problema – labai trumpai tariant – susiaurinama iki supratimo, kaip tas sužadinimas atkuria žinomus gravitacinius reiškinius.
Kita vertus, reliatyvistai įspėja, kad ši strategija gali būti fiziškai nepakankamasBendroji reliatyvumo teorija mus išmokė, kad nėra jokios fiksuotos „scenos“, kurioje vyktų fizikos dėsniai: erdvėlaikis yra dinamiškas ir dalyvauja veiksme. Todėl gravitacijos traktavimas kaip kvantinio lauko standžiame fone yra netinkamas. išduoda Einšteino pamoką ir tai reikalauja iš esmės permąstyti tokias sąvokas kaip erdvė ir laikas.
Žvelgiant iš šios perspektyvos, kvantinės gravitacijos iššūkis slypi reliatyvumo pradėtos konceptualios revoliucijos skatinime, kartu integruojant kvantinės mechanikos taisyklės, link sintezės, kuri performuluoja pagrindines tikrovės sąvokas.
Kilpinė kvantinė gravitacija: nuo kontinuumo iki diskretinio audinio
Labai vizualus būdas susidaryti idėją – įsivaizduoti visatą kaip didelį gobeleną: dideliu mastu Atrodo nuosekliai ir sklandžiaiBet jei stebėtume jį vis galingesniu „mikroskopu“, pamatytume susipynusias gijas, tarsi erdvė „pikselėtųsi“ ir nustotų būti be galo dalijama. Tokia yra intuicija, slypinti už šio teiginio. Kilpinė kvantinė gravitacija (LQG).
LQG nedaro prielaidos apie fiksuotą foną. Jis ima bendrąją reliatyvumo teoriją ir priverčia ją kalbėti kvantine kalba. Šiame procese natūralūs kintamieji nustoja būti nuolatiniais rodikliais ir tampa... su ryšiais susiję stebimi rodikliai (ciklos) – techniškai Wilsono kilpos – kurios fiksuoja informaciją iš lauko. Šis metodas siūlo efektyvų erdvėlaikio diskretizavimą: nebeturi prasmės tirti „bet kuriame taške“, o veikiau per šias uždaras kilpas.
Koncepcinis pokytis yra svarbus: ciklai „negyvena“ ankstesnėje erdvėje, apibrėžkite pačią erdvęTaigi geometrinė kvantinė būsena yra ciklų konfigūracija. Viskas, kas yra už jų ribų, šiame aprašymo lygmenyje neturi jokios fizinės reikšmės.
Operaciniu požiūriu, dirbant su grynais ciklais, skaičiavimai tampa sudėtingesni. Pagrindinis supaprastinimas atsiranda dėl to, kad sukimosi tinklaiŠią idėją, kurią iš pradžių pristatė Rogeris Penrose'as ir atgaivino LQG, remiantis pirmaisiais principais, sudaro grafai: linijos (briaunos), sujungtos mazguose ir turinčios sukinio žymes j = 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,…, su orientacija (įeinančia arba išeinančia) ir matematiniais objektais mazguose (susietiniais ryšiais), kurie susieja įeinančių ir išeinančių briaunų žymes.
Su šiais ingredientais LQG suteikia geometriniai operatoriai —ilgis, plotas, tūris— kurių spektrai yra diskretūs. Pavyzdžiui, paviršiaus plotas gaunamas suskaičiavus, kiek sukinių tinklo briaunų praeina per jį, ir sujungus jų žymes naudojant tam tikrą funkciją. Tai reiškia, kad yra minimalus plotas, susijęs su atveju j = 1/2, ir kad pagal konstrukciją, Ne visos sritys įmanomos.bet kvantuotos vertės. Kažkas panašaus nutinka ir su tūriais bei kampais.
Teoriškai atsiranda realus parametras, t. y. Barbero-Immirzikurio vaidmuo dar nėra iki galo aiškus. Nėra jokio teorinio apribojimo, kuris fiksuotų jo vertę (be to, jis nėra lygus nuliui), ir įvairūs argumentai bando jį nustatyti remiantis fiziniais sumetimais.
LQG pažanga, pasiekimai ir kliūtys
Vienas garsiausių LQG pasiekimų yra išvedimas juodųjų skylių entropijaNorint gauti proporcingumą horizonto plotui, kaip Bekensteino-Hawkingo dėsnyje (S ∝ A). Ankstyvieji tyrimai reikalavo koreguoti Barbero-Immirzi parametrą, kad būtų pasiektas 1/4 koeficientas, o tai atrodė kaip „gudrybė“. Tačiau vėlesni darbai siūlo būdus, kaip atkurti teisingą proporcingumą be šio ad hoc koregavimo, taip pat ir tais atvejais, kai Astrofiziškai tikėtinos juodosios skylės.
Kosmologijoje, kai technika taikoma ankstyvajai visatai (LQC, kilpinė kvantinė kosmologija), Didžiojo sprogimo singuliarumas nustoja būti neįveikiama riba: sistema sklandžiai pereina ekstremalaus tankio būseną, kuri vadinama didelis atšokimas (Didysis atšokimas). Jei taip, mūsų visata galėjo išbristi iš ankstesnės griūties fazės. Ši idėja skatina stebėjimo pėdsakų paieškas kosminė mikrobangų spinduliuotė kurie leidžia išbandyti modelį.
Dažniausiai minimas LQG trūkumas yra nedviprasmiškas įrodymas, kad jo klasikinė riba atkuria Bendrasis reliatyvumas su mažomis kvantinėmis korekcijomis, lygiai taip pat, kaip kvantinė elektrodinamika grįžta prie Maksvelo lygčių atitinkamoje riboje. Tas žingsnis – švarus Einšteino atkūrimas – yra nuoseklumo kriterijus, kuris dar nebuvo įvykdytas su norimu patikimumu.
Suvienijimas? Griežtai kalbant, LQG nėra vienijanti teorija: ji gali pritaikyti materijos laukus gyvenantys sukinių tinkluose, nereikalaujant užmegzti ryšių tarp jų. Vis dėlto, gravitacija pateikiama ta pačia kalibravimo kalba kaip ir kitos sąveikos, o tai sudaro subtilią formalaus suderinimo formą. Tiesą sakant, pastarieji pokyčiai išplėtė šios technikos galimybes daugiau dimensijų ir supersimetrijosatveriant duris būsimiems ryšiams su kitomis sistemomis.
Stygų teorija ir kiti konkuruojantys keliai
Stygų teorija spindi savo ambicijomis: ji pateikia matematinį pagrindą, kuriame visos dalelės ir jėgos, įskaitant gravitaciją, atsiranda kaip vibraciniai režimai vienmačių stygų. Kad būtų nuoseklu, reikia supersimetrijos ir papildomų matmenų (10 arba 11, priklausomai nuo versijos) – elementų, kuriems šiuo metu trūksta aiškių eksperimentinių įrodymų: nei superdraugai žinomų dalelių, nei paslėptų matmenų požymių.
Nepaisant problemų, stygų teorijai pavyko sujungti daugybę skirtingų reiškinių į elegantišką formalizmą ir ji tarnauja kaip galingų metodų laboratorija. LQG ir stygų teorija nebūtinai turi būti vienas kitą atmetaIš tiesų, jiems būdingi vienmačiai sužadinimai (vienu atveju – stygos, kitu – kilpos), todėl galima galvoti apie būsimo papildomumo scenarijus.
Be šių dviejų, yra ir kitų tyrimų krypčių, kurių pavadinimai tokie įtaigūs kaip TvisteriaiPaprastoji kvantinė gravitacija, nekomutacinė geometrija, euklidinė kvantinė gravitacija arba formuluotės, pagrįstos nuliniais paviršiais. Kiekviena iš jų suteikia specifinių įžvalgų ir įrankių, o kartu jos maitina idėjų ekosistemą, kuri vieną dieną galėtų susikristalizuoti į teisingą teoriją.
Eksperimentiniai užuominos: nuo tolimos kosmoso iki laboratorijos
Pagrindinė bet kurios kvantinės gravitacijos teorijos kritika yra jos eksperimentinis atstumas: aiškiausi efektai paslėpti labai mažais masteliais. draudžiama mūsų technologijomsNet ir tokiu atveju yra išradingų būdų ieškoti netiesioginių ženklų ar nustatyti ribas.
Žymus pavyzdys yra ESA „Integral“ misija – gama spindulių teleskopas, galintis matuoti poliarizaciją. Kai kurios labai mažos erdvės granuliarumo hipotezės teigia, kad gama fotonų sklidimas patiria nedidelį nuo energijos priklausomą „posūkį“, pakeisdamas kaupiamoji poliarizacija dideliais atstumais.
Philippe'o Laurento komanda (CEA Saclay) išanalizavo duomenis, gautus iš vieno intensyviausių kada nors užfiksuotų gama spindulių pliūpsnių. GRB 041219A (2004 m. gruodžio 19 d.) ir neaptiko poliarizacijos skirtumų tarp didelės ir mažos energijos fotonų prietaisų ribose. Naudodami IBIS prietaisą, kurio skiriamoji geba yra apie 10 000 kartų geresnė nei jo pirmtakų, jie sugebėjo signalo nebuvimą paversti griežtomis ribomis: jei egzistuoja detalumas, jo būdingas mastelis turi būti daug mažesnis nei 10-35 m, stumdamas aukštumas link apie 10-48 m ar net mažiau.
Dar vienas integralinis testas, šį kartą su Krabo ūkas (2006) patvirtino išvadą, nors ir mažesniu mastu, atsižvelgiant į tai, kad šaltinis yra daug arčiau, o kaupiamasis poveikis būtų mažas. Apibendrinus šiuos rezultatus, galima atmesti tam tikras stygų arba LQG versijas, kurios prognozuoja prieinamesnes poliarizacijos rotacijas, ir verčia mus... patikslinti arba atsisakyti hipotezių.
Laboratorijoje neseniai svarbų etapą pasiekė Timo M. Fuchso vadovaujama Southamptono universiteto (JK) komanda: jiems pavyko išmatuoti gravitacinę sąveiką ties mikroskopinė skalė su stingdančiu jautrumu. Jo idėja: naudojant superlaidžius magnetus, esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui, pakelti 0,43 miligramo masės objektą ir tada aptikti jėgas, mažas kaip 30 atoneutonų (attoneutonas yra viena trilijoninė niutono dalis).
Technologinis pasiekimas akivaizdus, bet svarbiausia yra tai, kad metrologinis pajėgumas Tai priartina mus prie galimybės stebėti pirmuosius kvantinio gravitacijos poveikio užuominas vis lengvesnėse sistemose. Planuojama kartoti eksperimentą su mažesnėmis masėmis, kol priarėsime prie kvantinės srities – tai labai svarbus žingsnis, jei norime paversti spėliones realybe. tvirti įrodymai.
Taip pat atsiranda netradicinių metodų, pavyzdžiui, pasiūlymas dėl postkvantinė klasikinė gravitacija (siejamas su Oppenheimu), kuris siūlo modifikuoti kvantinę teoriją, kad ji būtų suderinama su bendrąja reliatyvumo teorija, nekvantuojant gravitacijos kaip tokios. Tai netradicinis požiūris, tačiau jis skatina diskusiją apie tai, kas iš tikrųjų turi pasikeisti, kad viskas sutaptų.
Tuo tarpu tyrėjai iš Aalto universitetas Mikko Partanen ir Jukka Tulkki pristatė naują gravitacijos formuluotę kaip gabaritinę teoriją, kurios simetrijos yra analogiškos standartinio modelio simetrijoms. Svarbiausia yra aprašyti sąveikas per gabaritinę zoną, pavyzdžiui, elektromagnetinį lauką, ir pritaikyti gravitaciją prie tos formos su... suderinama simetrija su kitomis jėgomis. Jų darbe, paskelbtame leidinyje „Reports on Progress in Physics“, renormalizacija nagrinėjama kaip begalybių sutramdymo priemonė: jie parodė, kad ji veikia bent iki pirmos eilės, ir siekia ją pademonstruoti visomis eilėmis. Jei jiems pasiseks, jie atvers kelią į renormalizuojama kvantinio lauko teorija gravitacijos.
Nors ši pažanga dar nėra tiesiogiai pritaikoma, verta prisiminti, kad kasdienės technologijos, pvz., GPS jūsų mobiliajame telefone– jie veikia reliatyvumo dėka. Geresnis gravitacijos supratimas, jei jis būtų įvilktas į operacinį kvantinį formalizmą, galėtų atskleisti praktinių staigmenų, apie kurias šiandien net neįtariame.
Pažangi padėtis: neabejotinybės, abejonės ir galimi sutapimai
Šiuo metu du pagrindiniai kandidatai – virvės ir LQG – varžosi, kad paaiškintų realybę, tačiau jie taip pat galėtų papildyti konkrečiuose aspektuose. Gali būti, kad abu metodai pasirodys esą nepilni (arba neteisingi) ir kad sprendimas slypi sintezėje, kuri paveldėtų geriausias kiekvieno savybes. Neabejotina tai, kad šiam keliui reikalingi empiriniai įrodymai: didelės energijos astrofizikos ribos, ekstremali metrologija laboratorijoje ir kosmologiniai pėdsakai danguje.
Alternatyvūs pasiūlymai praturtina kraštovaizdį ir skatina persvarstyti tokias sąvokas kaip erdvėlaikio tęstinumas, geometrinio fono vaidmuo arba simetrijų struktūra kurie valdo gamtą. Tuo tarpu teorinis darbas turi toliau tobulinti begalybes, išaiškinti klasikines ribas ir siūlyti falsifikuojamus stebimus dydžius.
Techninė apžvalga: laukai, potencialas ir jungtys
Naudinga istorinė užuomina – prisiminti vaidmenį matuoklio potencialai ir lauko linijos (Faradėjaus dėsniai) negravitacinėse sąveikose. Elektromagnetizme, tiek silpni, tiek stiprūs potencialai ir kalibro simetrijos yra natūrali kalba. Kai gravitacija yra priversta į tą kalbą, tokios struktūros kaip Wilsono kaklaraiščiai kurie koduoja holonominę lauko informaciją.
Iš LQG perspektyvos tai, kas gali būti nuosekliai išmatuota, yra susiję su tomis kilpomis, kurios jau žinomos kaip kvantiniai grafikai – sukinių tinklai – kur briaunų žymės j nėra savavališkos: jos atspindi pagrindinės simetrijos ir valdymo vaizdus, taikant tikslias taisykles, koks plotas ar tūris Jis priskiriamas sankirtoms su paviršiais arba sritimis. Šis diskretus „granuliarumas“ nėra primestas tinklelis, o geometrijos kvantinės struktūros pasekmė.
Tai, kad mazguose yra įterptieji elementai (morfizmai, jungiantys vidiniai ir išoriniai kraštaiTai rodo, kad kvantinė geometrija nėra vien lokali išilgai briaunų, bet kad nuoseklumas sankirtos taškuose sukuria globalius ryšius. Tai suteikia matematinį pagrindą, iš kurio galima bandyti atkurti dinamiką ir, tikiuosi, klasikinė riba teisinga
O kaip dėl kosmologinių stebėjimų vaidmens?
Jei erdvės struktūra būtų diskreti, tokiuose reiškiniuose kaip sklidimas galėtų atsirasti maži parašai gravitacinės bangos arba subtiliose kosminio mikrobangų fono koreliacijose. Kol kas namas dar turi būti išvalytas: ribos atitinka nepaprastai sklandų erdvėlaikį iki mastelio, mažesnio nei 10-35 Mano, remiantis gama poliarizacijos duomenimis, artėja prie 10-48 m. Bet kokia teorija, prognozuojanti didesnius efektus, jau yra ant virvių.
Ateinantys metai gali suteikti naujų užuominų: jautresnius prietaisus, platesnius gama spindulių pluošto katalogus, vis labiau tobulinamas poliarizacijos analizes ir eksperimentus su... levitacija pakeltos tešlos kurie priartina kvantinį gravitacijos režimą prie laboratorinio darbo stalo. Kiekvienas duomenų fragmentas verčia teoriją koreguoti arba atmesti aklavietes.
Literatūra ir rekomenduojama literatūra
Norint giliau pasigilinti, apžvelkime Carlo Roveli (1998) leidinyje „Living Reviews in Relativity on Loop Quantum Gravity“ (doi:10.12942/lrr-1998-1). Naudingos yra ir naujausių LQG ir kvantinės kosmologijos tyrimų apžvalgos, ir populiarūs moksliniai straipsniai, kuriuose glaustai aprašoma... daliniai rezultatai ir iššūkiaiKalbant apie stebėjimo ribas, ESA „Integral“ misijos dokumentuose išsamiai aptariamos gama poliarizacijos analizės (įskaitant GRB 041219A ir Krabo ūką). Eksperimentinėje laboratorijoje Fuchso komandos išankstinis spaudinys aprašo metrologija į atoneutonus su levitacijomis pakeltomis masėmis. O gravitacinio matuoklio metodui geras atspirties taškas yra Partaneno ir Tulkki darbas leidinyje „Reports on Progress in Physics“.
Po šios kelionės akivaizdu, kad kvantinės mechanikos ir gravitacijos suderinimas lieka atviras, o pagrindiniai simboliai yra stygos ir juostelės, alternatyvūs pasiūlymai praplečia akiratį, o duomenys – nuo kosmoso iki kriogenikos – jau tikslina hipotezes; galutinis tikslas nurodo sistemą, kuri gerbia erdvėlaikio dinamika, egzistuoja kartu su kvantine teorija ir galiausiai išlaiko eksperimento testą.
