Недостающая часть: почему найти квантовую теорию гравитации так сложно?

21 Мая 2015 в 12:30, Илья Хель 10 268 просмотров 20

Математика

Использование математики в науке в целом и физике в частности часто описывается как язык, что рождает впечатление некоего секретного кода, который должен отпугнуть всяк сюда входящего, больше неприятность, чем необходимость. Здесь мы занимаемся не только наукой, но и ее популяризацией, а вы знаете, что для успешных продаж научных книг в них должно быть как можно меньше формул (старый анекдот, не так уж далек от истины). Но математика — это намного больше занудной базы формул и странных загогулин.

Математика — это первая линия дисциплины мысли. Очищенная от неопределенностей человеческого языка, математика является инструментом выведения последствий из предположений. Она незыблема для человеческой хрупкости и не знает жалости. Математика стоит на страже объективности.

Как работает современная теоретическая физика? Она строит теории, основанные на наборе предположений или аксиом, которые могут указываться неявно, а иногда вообще берутся как данность. Несмотря на это, будучи сформулированными в математических терминах, эти допущения становятся намного большим набором выводов, которые затем толкают физику вперед. Чтобы теория стала жизнеспособной в рамках нашей Вселенной, все эти выводы должны быть как внутренне непротиворечивы, не приводить к противоречиям, так и согласоваться с наблюдениями.

Теории, которые сегодня описывают природу, представлены на самом фундаментальном уровне общей теорией относительности и Стандартной моделью физики элементарных частиц. Общая теория относительности — это классическая теория, тогда как Стандартная модель — это квантовая теория поля. Первая не следует принципу неопределенности Гейзенберга, вторая — следует. Обе теории вместе могут описать все наблюдения, которые у нас есть на текущий момент, хотя некоторые аспекты этого описания остаются неудовлетворительными, например, недостающая микроскопическая структура темной материи. Сочетание этих двух теорий согласуется с наблюдением, но большая беда в том, что оно внутренне противоречиво.

Наиболее ярко это несоответствие демонстрируется проблемой потери информации черной дыры. Объединение общей теории относительности с квантовой теорией поля приводит к тому, что известно как квантовая теория поля в искривленном пространстве. Она частично классическая, частично квантованная теория, «полуклассическая гравитация». В этой комбинированной теории можно вычислить, что черные дыры излучают радиацию — излучение Хокинга, названное в честь его первооткрывателя.

Черная дыра

Излучение Хокинга — это спектр излучения абсолютно черного тела с одним-единственным параметром: температурой, которая зависит от изначальной массы черной дыры. Это означает, что все черные дыры с одной начальной массой испаряются до одного конечного состояния, вне зависимости от того, из чего сформировались. Процесс образования черной дыры и последующее испарение, таким образом, необратимы: даже если мы полностью знаем конечное состояние, мы не можем определить изначальное состояние. Информация потеряна. Проблема в том, что такой принципиально необратимый процесс несовместим с квантовой теорией поля, которую мы используем для получения процесса: это внутреннее противоречие, несоответствие, так быть не может, не должно. Математика приводит нас к такому выводу.

Полуклассическая комбинация общей теории относительности и Стандартной модели приводит к другим проблемам. Мы не знаем, например, что происходит с гравитационным полем электрона, проходящего через двойную щель. Мы знаем, что волновая функция электрона в суперпозиции и проходит через обе щели, создавая статистическое распределение на экране при измерении. Мы также знаем, что электрон переносит энергию. И мы знаем, что энергия создает гравитационное поле. Но поскольку гравитационное поле — классическое, оно не может быть в суперпозиции и пройти через обе щели, подобно электрону. Что происходит с гравитационным полем электрона? Никто этого не знает, поскольку оно слишком слабое для измерения. Так просто и так сложно.

Черная дыра

Третья причина, которая убеждает физиков, что сочетание общей теории относительности и Стандартной модели является неполным описанием природы, приводит нас к образованию сингулярностей при достаточно общих условиях. Сингулярности — это скопления бесконечной плотности энергии и бесконечной кривизны. Они нефизичны и не должны появляться в здравой теории. Сингулярности также появляются в гидродинамике, например, когда сжимается капля воды. В таком случае, однако, мы знаем, что сингулярность — это артефакт использования приближения — гидродинамики, — которое не будет работать на субатомных расстояниях. На самых коротких расстояниях мы должны использовать более фундаментальные теории (теории квантованных, дискретных частиц), чтобы описать каплю воды, и, как ожидается, сингулярности исчезают.

Капля воды

Считается, что квантование гравитации решит эти три проблемы, раскрывая структуру пространства-времени на очень коротких расстояниях. К сожалению, гравитация не квантуется подобно другим взаимодействиям в Стандартной модели. Применяя те же методы к гравитации, мы приходим к теории «эффективной квантовой гравитации», которая не может решить эти проблемы: она разрушается при сильной кривизне. Эта наивно («пертурбативно») квантованная гравитация никак не решает проблемы с сингулярностями и испарением черных дыр, поскольку работает только при слабой гравитации. Короче, в ней нет смысла. То, что физики называют «квантовой гравитацией», должно быть теорией, которая будет хороша вне зависимости от того, насколько сильной становится гравитация.

В настоящее время есть несколько теоретических подходов к квантовой гравитации. Наиболее известными являются асимптотически безопасная теория гравитации, петлевая квантовая гравитация, теория струн и причинная динамическая триангуляция, равно как и идеи, которые серьезно подходят к гидродинамическим аналогиям и рассматривают гравитацию как вытекающее явление. Пока мы не можем сказать, какой из подходов станет верным описанием природы.

BICEP

На волне измерений поляризации космического микроволнового фона BICEP, было заявлено, что такое измерение предоставит свидетельства квантования гравитации. Это не совсем нет. Во-первых, учтите, что это опять же затрагивает слабые гравитационные поля и не является фундаментальной теорией квантовой гравитации. Кроме того, кто-то просто не позаботился сформулировать нормальный аргумент. Да, квантово-гравитационные флуктуации юной Вселенной могли оставить отпечаток на микроволновом фоне, который потенциально наблюдаем. Но куда сложнее продемонстрировать, что квантовая гравитация — единственный способ произвести наблюдаемые флуктуации. Должно быть что-то другое, доказательство вроде теоремы Белла, что классическая теория не может такое произвести, но они отсутствуют.

Квантовая гравитация — не очень большое исследовательское поле, если сравнить с физикой конденсированной материи или исследованиями рака, например. Сообщество этих ученых не очень большое, но оно привлекает массу общественного интереса. И вполне заслуженно. Без квантовой гравитации мы не узнаем, как на самом деле ведут себя пространство и время, а также не сможем понять, с чего началась наша Вселенная. Нам нужна квантовая гравитация, которая подскажет нам, что удерживает космос вместе и почему все это вот так, вот так, вот так, вот так.

Недостающая часть: почему найти квантовую теорию гравитации так сложно?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

20 комментариев

  1. jeka182342

    И помните-ни слова по русски(с)COD MW :D
    вот именно так можно описать данную статью

  2. Ce3apyc

    А квантовая сингулярность существует?;)

  3. loijeje

    Математика может всё и даже то чего не надо.Поэтому в физике существуют принципы координирующие ход математического порядка(энергетической выгодности,оптимального распределения ит.п.) что б вселенная получилась красивой. Однако наши учёные вдались в крайность-математику,надеются на вычислительные машины и отказываются включать свои мозги. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Mobius

      Помоги же ученым включить свои мозги. Сам кем будешь? Много научных публикаций сделал? Или так, интернет балабол?

      • loijeje

        Инженер я, испытатель.Приходится сильно задумыватся, когда по науке работать изделие должно ,а на практике чего-ет нехватает.И зачем много научных публикаций,если бы каждый учёный написал по одной стоящей,то люди бы горя не знали. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  4. Alex St

    Лучше бы исследовали гравитоны и антигравитацию (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Mobius

      Кто тебе сказал, что другие не исследуют? И антигравитации не существует, что там исследовать?

      • Semen_Semen

        Антигравитация это термин. Вы его использовали и утверждаете, что этот термин не существует, забавно.
        Если же Вы имеете ввиду некое явление, подразумеваемое под этим термином, то также утверждать, что чего-то не существует в бесконечной Вселенной (я не говорю уже про Мультивселенную) это как-то глупо... (отправлено из приложения Hi-News.ru)

        • Nuchoty

          Глупо – придираться к очевидному и словоблудить. Пространство вариантов существенно меньше пространства как такового, иначе не наблюдались бы закономерности. Можно с огромной уверенностью говорить о том, что чего-то нет, если это не наблюдается локально или в некоторых пределах, при том что фундаментальные теории такого не позволяют в принципе.

          • Sacred_oleg

            "Можно с огромной уверенностью говорить о том, что чего-то нет, если это не наблюдается локально или в некоторых пределах.."
            Люди с огромной уверенностью говорили о том, что существуют только белые лебеди вплоть до 1700-ого года, когда в Австралии был обнаружен черный представитель этого вида.
            Можно с уверенностью утверждать, что антигравитации не существует СЕЙЧАС и в обозримой для человечества Вселенной.
            Но делать на этом основании обобщающий вывод, о том, что " раз все лебеди, которых я видел - белые, значит абсолютно все лебеди - белые" - ошибка.
            И эта ошибка обобщения не раз дорого обходилась отдельным людям и человечеству в целом.

  5. vip

    Цитата: Обе теории вместе могут описать все наблюдения, которые у нас есть на текущий момент, хотя некоторые аспекты этого описания остаются неудовлетворительными, например, недостающая микроскопическая структура темной материи. Сочетание этих двух теорий согласуется с наблюдением, но большая беда в том, что оно внутренне противоречиво.

    Комментарий: Заметим, что обе теории основаны на достаточно сложных математических выкладках. Обе вроде правильны, но противоречивы. Значит, одна из них не верна. Скорее – обе.
    Сложность выкладок заманчива, ибо мало кто их понимает, а автор выглядит умным. Как в той сказке, про голого короля (любимая моя сказка).
    Вспомните, к примеру, как Птолемей с помощью сложнейших математических выкладок доказал, что Солнце и все планеты движутся вокруг Земли. Много веков эта глупость жила в умах учёных, пока не появились простые и понятные всем законы Кеплера, особенно его третий Закон.
    Кеплер классически доказал, что Природа устроена гораздо проще. Это касается и Природы гравитации.
    Ведь многим ясно, что объёмная плотность потенциальной энергии поля (проще – давление, ибо мы знаем, что давление определяет количество энергии в единице объёма, или силу на единицу площади) отрицательна и, чем ближе к центру поля, тем значение этого параметра МЕНЬШЕ (по модулю – больше).
    Подробнее здесь: http://vip46.livejournal.com/1790.html
    Здравый смысл нам подсказывает, что всё сущее должно стремиться из области высокого давления в область низкого давления.
    Где давление ниже? Конечно же, в центре потенциального поля.
    Куда устремлено всё сущее? Конечно же, к центру потенциального поля (туда, где давление меньше).
    Более подробно (просто и внятно) здесь: http://vip46.livejournal.com/2057.html

    И ещё. Думаю, что очень к месту тут слова великого Ломоносова (1711-1765):
    «Те, кто пишут темно, либо невольно выдают этим своё невежество, либо намеренно, но худо скрывают его. Смутно пишут о том, что смутно себе представляют».

    • Andreus

      а я вспоминаю, что о Матвее Петровиче Бронштейне узнал только потому, что появился журнал *Квант*, где в первых номерах библиотеки его собирались опубликовать три научно-популярные работы Матвея Петровича, если в первом номере осуществили намерения, то вторая только в восьмидесятом появилась ...

  6. 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.

  7. Busel

    Читайте в Википедии статью "Планковская длина" https://ru.wikipedia.org/wiki/Планковская_длина . В ней содержится информация, относящаяся к квантовой гравитации.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.