Нужна ли квантовой гравитации теория струн?

11 222 просмотра
Об авторе

Теория струн

«Я просто думаю, что в струнной теории произошло слишком много хороших вещей, чтобы она была совершенно неправильной. Люди не очень хорошо ее понимают, но я просто не верю в гигантский космический замысел, который создал эту невероятную вещь, и чтобы она не имела ничего общего с реальным миром», — сказал однажды Эдвард Уиттен.

Безо всяких сомнений, с математической точки зрения нет недостатка в невероятных, прекрасных и элегантных теориях. Но не все они подходят для нашей физической Вселенной. Кажется, что на каждую блестящую идею, которая точно описывает, что мы можем наблюдать и измерить, приходится по меньшей мере одна блестящая идея, которая пытается описать те же вещи, но остается в корне неверной. На прошлой неделе мы задались вопросом, который сводится к примерно следующей сути.

Квантовая гравитация. Мы хотели бы знать, имеется ли какой-нибудь прогресс в этой области за последние пять-десять лет. Нам, обычным смертным, кажется, что эта сфера малость подзастряла, а теория струн начала падать в забытие, поскольку ее сложно проверить и у нее имеется 10^500 возможных решений. Правда ли это, или же где-то за кулисами протекает некий прогресс, на который пресса просто не обращает внимания?

Во-первых, стоит провести большую разделительную черту между идеей квантовой гравитации, решением теории струн (или предлагаемым решением) и другими альтернативами.

Теория струн

Начнем со Вселенной, которую мы знаем и любим. С одной стороны, есть общая теория относительности, наша теория гравитации. Она утверждает, что вместо того, чтобы быть простым действием на расстоянии, как завещал Ньютон, когда все массы во всех местах оказывают силы друг на друга обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, в ее основе лежит более тонкий механизм.

Масса, как установил Эйнштейн с принципом эквивалентности и E=mc^2 в 1907 году, была одной из форм энергии во Вселенной. Эта энергия, в свою очередь, искривляет саму ткань пространства-времени, изменяя путь движения всех объектов и изменяя то, что наблюдатель мог наблюдать в виде картезианской сетки. Объекты не ускоряются за счет невидимой силы, а скорее путешествуют по пути, определяемому влиянием всех различных форм энергии во Вселенной.

Это гравитация.

Частицы

С другой стороны, у нас есть другие законы природы: квантовые. Есть электромагнетизм, за который отвечают электрически заряженные частицы, их движение и который описывается переносчиком силы фотоном, который выступает посредником при этих взаимодействиях и дарит нам явления, которые мы связываем с электростатикой и магнетизмом. Есть также две ядерных силы: слабая ядерная сила, ответственная за явления вроде радиоактивного распада, и сильная ядерная сила, которая удерживает атомные ядра вместе и позволяет существовать протонам и нейтронам.

Расчеты для этих сил обычно происходят в плоском пространстве-времени, с которого каждый студент начинает изучение квантовой теории поля. Но этого недостаточно, когда мы присутствуем в искривленном пространстве, как того диктует общая теория относительности.

Теория струн

«Итак, — скажете вы, — мы просто будем проводить вычисления нашей теории поля на фоне искривленного пространства!». Это известно как полуклассическая гравитация, и этот тип вычислений позволяет нам рассчитывать вещи вроде излучения Хокинга. Но даже это имеется только на горизонте самой черной дыры, а не там, где гравитация будет во всей своей красе. Есть много физических случаев, в которых нам пригодилась бы квантовая теория гравитации, и все они связаны с гравитационной физикой на мельчайших масштабах, на крошечных дистанциях.

Черные дыры

Что, к примеру, происходит в центральных районах черных дыр? Вы можете подумать, мол, «о, там же сингулярность», но сингулярность — это не столько точка с бесконечной плотностью, сколько случай, где математический инструмент общей теории относительности выдает бессмысленные ответы на вопросы о потенциалах и силах. Что происходит, когда электрон проходит через двойную щель? Проходит ли гравитационное поле через обе щели? Или через одну? Общая теория относительности ничего не говорит на этот счет.

Двойная щель

Считается, что должна быть квантовая теория гравитации, которая объяснит эти и другие проблемы, присущие в «гладкой» теории гравитации вроде ОТО. Для того чтобы объяснить, что происходит на малых дистанциях в присутствии гравитационных источников — или масс, — нам нужна квантовая, дискретная, а значит, и построенная на частицах теория гравитации.

Благодаря свойствам самой ОТО, что-то мы уже знаем.

Лептоны

Известные квантовые силы определяются действием частиц, известных как бозоны, или частицы с целым спином. Фотоны определяют электромагнитную силу, W- и Z-бозоны выступают посредниками для слабой ядерной силы, а глюоны — для сильного ядерной силы. У всех этих частиц спин равен 1, причем для массивных частиц спин может принимать значение -1, 0 или +1, тогда как у безмассовых частиц (вроде глюонов и фотонов) он может принимать значение только -1 или +1.

Бозон Хиггса тоже является бозоном, только не выступает посредником для сил и обладает спином 0. Насколько мы знаем гравитацию — ОТО является тензорной теорией гравитации — ее посредником должна выступать безмассовая частица со спином 2, а значит ее спин может принимать значение -2 или +2 только.

Получается, мы что-то знаем о квантовой теории гравитации еще до попытки сформулировать ее. Мы знаем это, поскольку какой бы ни была квантовая теория гравитации, она должна быть в соответствии с ОТО, когда мы имеем дело с не самыми малыми дистанциями до массивных частиц или объектов, равно как и ОТО должна сводиться к ньютоновской гравитации в режиме слабого поля.

Большой вопрос, конечно, как это сделать. Как квантовать гравитацию, чтобы она была корректна (в описании реальности), соотносилась с ОТО и КТП и приводила к вычисляемым предсказаниям новых явлений, которые могут быть наблюдаемы, измеряемы или проверямы.

Ведущий претендент, как вы знаете, это теория струн.

Теория струн

Теория струн

Теория струн — интереснейшее поле, которое включает все стандартные модели полей и частиц, фермионы и бозоны. Она включает 10-мерную тензор-скалярную теорию гравитации: с 9 пространственными и 1 временным измерением и параметром скалярного поля. Если мы уберем шесть из этих пространственных измерений (через не до конца понятный процесс, который люди называют компактификацией) и позволим параметру (ω), который определяет скалярное взаимодействие, уйти в бесконечность, мы сможем восстановить ОТО.

Однако у теории струн есть целый ряд феноменологических проблем. Одна из них заключается в том, что из теории вытекает огромное число новых частиц, в том числе и все суперсимметричные, которых мы до сих пор не обнаружили. Она утверждает, что нет необходимости в «свободных параметрах», которыми обладает Стандартная модель (для масс частиц), но заменяет эту проблему еще худшей. Когда мы говорим о 10^500 возможных решениях, эти решения касаются ожидаемых значений струнных полей, и нет никакого механизма восстановить их; чтобы струнная теория работала, вам придется отказаться от динамики и просто сказать, что «она должна была быть выбрана антропно».

Впрочем, струнная теория — не единственный игрок на этом поле.

Теория струн

Петлевая квантовая гравитация

ПКГ представляте собой интересный взгляд на проблему: вместо того чтобы пытаться квантовать частицы, ПКГ утверждает, что само пространство является дискретным. Как обычно представляют гравитацию: натянутая простыня с шаром для боулинга в центре. Мы также знаем, что обычно простынь квантуется, то есть состоит из молекул, которые состоят из атомов, которые состоят из ядер (кварков и глюонов) и электронов.

Пространство может быть таким же! Поскольку оно выступает в качестве ткани, то состоит из конечных квантованных элементов. И, возможно, соткано из «петель», откуда и берется ее название. Соедините эти петли вместе, и вы получите сеть, представляющую квантовое состояние гравитационного поля. Согласно этой картине, квантуется не только материя, но и само пространство. Эта научная область до сих пор активно разрабатывается.

Гравитация

Асимптотически безопасная гравитация

Асимптотическая свобода была разработана в 1970-х годах, чтобы объяснить необычный характер сильного взаимодействия: это была очень слабая сила на чрезвычайно коротких расстояниях, которая становилась сильнее по мере того, как заряженные частицы расходились дальше и дальше. В отличие от электромагнетизма, который имел небольшую константу взаимодействия, у сильного взаимодействия она была большая. Из-за некоторых интересных свойств квантовой хромодинамики, если вы связываетесь с нейтральной (цветной) системой, сила взаимодействия быстро падает. Это можно было объяснить физическими размерами барионов (протонов и нейтронов, например) и мезонов (пионов, к примеру).

Асимптотическая свобода, с другой стороны, решила фундаментальную проблему, связанную с этим: вам нужны не малые взаимодействия, связи (или связи, которые стремятся к нулю), а, скорее, связи, которые просто будут конечными при высокоэнергетическом пределе. Все константы связи меняются с энергией, и асимптотическая свобода ставит высокоэнергетическую неподвижную точку для константы (технически, для группы ренормировки, из которой извлекается константа связи), а все остальное можно рассчитывать для низких энергий.

Во всяком случае такова идея. Мы выяснили, как делать это для измерений 1 + 1 (одно пространственное и одно временное), но не для 3 + 1. Однако прогресс движется, во многом благодаря Кристофу Веттериху, который издал две грандиозных работы в 90-х годах. Не так давно Веттерих использовал асимптотическую свободу — всего шесть лет назад, — чтобы рассчитать предсказание массы бозона Хиггса еще перед тем, как БАК нашел его. Результат же?

Удивительно, но его предсказания идеально совпали с находками БАК. Это настолько прекрасное предсказание, что, если асимптотическая безопасность верна и массы топ-кварка, W-бозона и бозона Хиггса установлены окончательно, для стабильной работы вплоть до планковских величин физике не понадобятся другие фундаментальные частицы.

Хотя асимптотически безопасной гравитации не уделяют много внимания, она остается весьма привлекательной и многообещающей теорией, как и теория струн: успешно квантует гравитацию, сводит ОТО до предела низких энергией и остается УФ-конечной. Кроме того, она обходит теорию струн по одному параметру: в ней нет целой горы нового материала, который мы пока не можем доказать.

Теория струн

Причинная динамическая триангуляция

Эта идея довольно нова и была разработана в 2000 году Ренатой Лолл в коллаборации с другими учеными. Она сходится с петлевой квантовой гравитацией в том, что пространство дискретно, но в первую очередь озабочена тем, как это пространство развивается. Одно из интересных свойств этой идеи в том, что время тоже должно быть дискретно. В итоге мы получаем четырехмерное пространство-время в настоящем времени, но на очень высоких энергиях и малых расстояниях (в планковских масштабах) оно проявляется в виде двумерной структуры. В ее основе лежит математическая структура под названием симплекс, которая является n-мерным обобщением треугольника. 2-симплекс — это треугольник, 3-симплекс — тетраэдр, и так далее. Одна из «прекрасных» фишек этого проявляется в виде причинности — известного многим понятия — которая сохраняется в причинной динамической триангуляции. Возможно, она сможет объяснить гравитацию, но непонятно на 100%, сможет ли в эти рамки уместиться Стандартная модель элементарных частиц.

теория струн

Возникающая (индуцированная) гравитация

Возможно, наиболее спорной из последних теорий квантовой гравитации является энтропийная гравитация, предложенная Эриком Верлинде в 2009 году, согласно модели которой гравитация является не фундаментальной силой, а скорее возникает как явление, связанное с энтропией. На самом деле корни возникающей гравитации уходят к открывателю условий образования асимметрии материи-антиматерии, Андрею Сахарову, который предложил эту идею еще в 1967 году. Работа по-прежнему находится в зачаточном состоянии, но за последние 5-10 лет на этом поле имеется некоторый прогресс.

Вот что у нас на сегодняшний день есть по квантовой гравитации. Мы уверены, что без нее не поймем работу Вселенной на фундаментальном уровне, но понятия не имеем, в каком направлении из представленных пяти (и других) движение будет верным.

Теория

Нужна ли квантовой гравитации теория струн?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

65 комментариев

  1. Арман Гаспарян

    ОШИБКА! Источником гравитации является не масса, а тензор энергии-импульса! Вот почему даже безмассовый фотон гравитирует.

    • loijeje

      Да, и гравтитационную постоянную можно вывести физматематически,несложно,эта пропорция лежит в первых "ступенях" перехода от оптимальных математических соотношений к соотношениям физическим. Хватит мерить пространство от Лошадинной Силы. Учённые уже многократно просверлили на сквозь "гранит науки" и открыты возможности разложить динамику от её начал, а не от её кончал.

  2. homevu

    А эти все еще страдают! (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  3. loijeje

    Удивительно.Популярно объясняю для учённых: Кроме математики ещё действуют физические принципы, поэтому не 10^500, а 117.

  4. Mobius

    Что за странная картинка стандартной модели? Откуда там гравитоны? Этой частицы вообще не существует и уж тем более нету в стандартной модели. А вот фотонов и электронов не завезли...

  5. AHDpeu

    Ну, если это все выводы и вычисления ученых, то вам ребята дорога к ним. Показывать и рассказывать, что и как должно быть и как нужно делать.

  6. Dynortice

    Хотя бы копирайт оставил, Илья. Статья то с geektimes

    • Mobius

      привыкай, они тырят статьи и картинки и выдают за свое.

      • noterdam

        вухаха (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

      • Vladimir8

        Я только "за" - много полезной информации не бывает. А кто автор - не имеет значения.

        • Dynortice

          Как раз имеет. Hi-News скоро начнет терять читателей, если так дальше будет продолжаться.

          • AHDpeu

            Почему это? Половина даже не обращает на это внимание

          • SkyWoker

            Смешной вы человек кто в hi news будет писать такого рода статьи, Шелдон Куппер что ли (отправлено из приложения Hi-News.ru)

            • Dynortice

              Я говорил о банальном копирайте, которого здесь и близко нет.

              • Mobius

                Как нету, если есть. Странный спор. Тупо берут чужие статьи и переводят.

                • Dynortice

                  Во-первых, это не перевод статьи.
                  http://geektimes.ru/post/251784/
                  Вот оригинал.
                  Во, вторых, где Вы увидели здесь копирайт? Я не вижу, что бы было хоть упоминание оригинала.

                  • Mobius

                    Речь не про эту статью, а другие, когда переводят с англ. языка и берут картинки без разрешения

                  • Mobius

                    Ты сам себе противоречишь: "где Вы увидели здесь копирайт? "

                    "не вижу, что бы было хоть упоминание оригинала."

                    Во-вторых прочитай обе статьи. Тут просто перефразировали, это и есть копирайт.

                    • Dynortice

                      Копирайт - это сохранение авторских прав.
                      Обычно копирайт ставится в начале или конце статьи с характерным знаком ©
                      Если бы в статье был копирайт, то тогда это и было бы упоминание о оригинале.

                      Если перефразировали - это всё равно не новый контент.

                      • Mobius

                        Господи, откуда вы беретесь. Этот значек просто для информации, ставить его не обязательно. И какой может быть копирайт на статью? У статьи есть авторские права, наркшать которые нельзя. То есть использовать без разрешение автора. Это касается всего - теста, музыки, видео, картинок и тп. Википедю почитай и не позорься не знать такие элементарные вещи

                        • Dynortice

                          Вы тупой, или прикидываетесь? Копирайт - это и есть авторские права.

                          • Mobius

                            Это вы тупой. Значек (с) ставить не обязательно. Что тебе еще не понятно?

                          • Mobius

                            Английский термин копирайт (англ. copyright, от «копировать» и «право») не идентичен по смыслу выражению «авторское право», которое часто[уточнить] означает только права авторов, но не смежные права.

                            И кто из нас тупой? Я тебе еще раз говорю - читай википедию, сойдешь за умного.

                            • Dynortice

                              Не идентичен, но является частью авторских прав.
                              Думаю, спорить, с такими как Вы, бесполезно. Можпно вообще отупеть общаясь с Вами.

  7. botancik

    да много теорем но все с фантазией. снимок атома - поменял бы каждую теорию. если учесть что не было снимков под разным влиянием сил кроме нашей планеты и притяжением плюс факторы и среда.
    почему все теоремы бездушны ведь каждый атом это маленькая система со своим центром и она все время движется) (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  8. Murmanchanin

    Почему вместо коллаборации не написать сотрудничество? :(

  9. tabasko

    А по мне так всё доходчиво обозначили, описания не читал, только составляющие, а фантазия у меня своя как и у всех остальных своя. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  10. tabasko

    Я даже для себя сократил статью, по ходу чтения, всё поместились на один лист документа. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  11. AHDpeu

    Ну, если это все выводы и вычисления ученых, то вам ребята дорога к ним. Показывать и рассказывать, что и как должно быть и как нужно делать. Нобелевские лауреаты В СТУДИЮ!!!!!!!!!!!!!!

  12. botancik

    все нормально , всем доволен. а кто не доволен и ничего не выкладывает тот ничего не умеет....если есть что предложить выкдадывай :-) (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  13. Semen_Semen

    Значит теория струн спотыкнулась об антропный принцип, забавно, не знал почему наиболее успешный кандидат так и не встает на пьедестал.
    А теорию "Асимптотически безопасной гравитации" вообще не понял :( (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Semen_Semen

      И идея квантования пространства-времени интересна, что-то в этом есть... (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • vinstlow

      Я честно говоря вообще не понял при чем там антропный принцип. Вы поняли? Объясните пожалуйста. Насколько мне известно основная проблема ТС - это экспериментальная недоказуемость.

      • Semen_Semen

        Я тоже не понял и даже не знал что такая проблема в ТС существует, пока не прочел данную статью, а в ней информации недостаточно. Про ТС помню, что она вводит много новых измерений в сжатом состоянии и новое явление суперсимметрии, которое порождает кучу новых элементарных частиц, выявить которые не представляется возможным (надеюсь временно). Извиняюсь, если мои знания сумбурны. Но, если верить данной статье, и там засветилось что-то антропное, то ТС хода не дадут в официальной науке, к сожалению.
        А вот обсудить с Вами, как наиболее грамотным читателем, идеи квантования пространства-времени очень хочется :) Как Вы считаете -что если гравитация не является следствием существования гравитационного поля и его квантовой частицы гравитона? Что если гравитация это не свойство материи, а качество самого пространства-времени? Что если пространство время можно квантовать и выявить элементарные частицы последнего (как вариант гравитахиона какого-нибудь) как переносчиков гравитационного взаимодействия? Возможно ли это? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

        • vinstlow

          По поводу ТС - для нее вроде как наоборот излишек частиц уже нашли если я не ошибаюсь. ) А ПКГ интересна в принципе, но не практична на мой взгляд - во первых не согласуется с геометрической ОТО просто никак, что расстраивает, потому что ОТО прекрасно описывает большинство явлений, во вторых является лишь связующим звеном для фундаментальных взаимодействий - нет никакой частицы, ее подтверждающей или к ней приводящей. Вообще теорий множество и все они потенциально перспективны, посмотрим, найдет ли что-то большой брат коллайдер. :) И кстати теория эфира близка к ПКГ, даже дядя Тесла ее придерживался.

    • loijeje

      Может какой то принцип,противодействующий антропному учённые упустили из виду? Им же думать некогда, им считать нужно.

  14. Trener888

    я тупой (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  15. Supreme Excellence

    Посмотрел картинки ._.

  16. botancik

    если разкрутить как бак в тех 5-10 кругах атомы в определенной последовательности и по законам полярности то в центре можно моделировать материю - тяжелую к примеру как радиоактивные отходы перерабатывать... (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  17. ivanovich-6056@mail.ru

    Уважаемые! --- Убедительно прошу опубликовать ниже следующею информацию --- у Вас и везде, где только можно в интернете в математические разделы или в общие на ваше усмотрение.

    APPEAL TO WORLD
    PUBLIC !!!
    WARNING !!!ALL,
    Dear you cann't do nothing, nothing to help, that does not change, and did not respond to my request --- necessarily go to my website
    http://2357111317.jimdo.com/

    ---- But, then, as firmly proved there --- EARTH, all of humanity including YOU --- perish and destroy them all --- until 2039. !!! --- FULL cooling core and decay of the magnetosphere. ---

    ---IF, do not fix it in textbooks, and thus in the nature on EARTH --- false picture NUMBERS !!!

    ALL are detailed described and found on this website.
    I warn you that I have the copyright svidetelsto on these discoveries.

    --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    ОБРАЩЕНИЕ К МИРОВОЙ
    ОБЩЕСТВЕННОСТИ !!!
    ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВСЕМ !!!
    Уважаемые, Вы можите ничего не делать, ничем не помогать, ни чего не менять и никак не реагировать на мою просьбу --- в обязательном порядке зайти на мой сайт http://2357111317.jimdo.com/

    ---- Но, тогда, как твёрдо доказал там --- ЗЕМЛЯ, всё ЧЕЛОВЕЧЕСТВО в том числе и ВЫ --- ПОГИБНИТЕ И ВСЕХ ПОГУБИТЕ --- ДО 2039 ГОДА!!! --- ОТ ПОЛНОГО ОСТЫВАНИЯ ЯДРА ЗЕМЛИ И РАСПАДА МАГНИТОСФЕРЫ. ---

    --- ЕСЛИ, НЕ ИСПРАВИТЕ В УЧЕБНИКАХ, А ЗНАЧИТ И В ПРИРОДЕ НА ЗЕМЛЕ --- ЛОЖНУЮ КАРТИНУ ЧИСЕЛ !!!

    ВСЁ ПОДРОБНО УКАЗАНО, ОПИСАНО И НАЙДЁТЕ НА ЭТОМ САЙТЕ. ----
    http://2357111317.jimdo.com/

    Предупреждаю, что имею авторское свидетельсто на эти открытия.

  18. Vladimir Sido

    Гравитацию можно будет изучать с помощью видео и звуковой информации об элементах поля пространства и их взаимодействия,путем использования электронно-
    нейронной структуры искусственного электронного головного мозга. Более подробно
    узнайте в комментарии Vladimir Sido от 29 июня 2015 в 11:35 к статье:"Будет ли у нас
    теория всего"?-новости науки на HI_NEWS.ru от 12 апреля 2015 в 17:00 , автор Илья
    Хель.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.