Чи потрібна квантової гравітації теорія струн новини науки на

«Я просто думаю, що в струнної теорії сталося дуже багато хороших речей, щоб вона була абсолютно неправильною. Люди не дуже добре її розуміють, але я просто не вірю в гігантський космічний задум, який створив цю неймовірну річ, і щоб вона не мала нічого спільного з реальним світом », - сказав одного разу Едвард Віттен.

Без усяких сумнівів, з математичної точки зору не бракує в неймовірних, прекрасних і елегантних теоріях. Але не всі вони підходять для нашої фізичного Всесвіту. Здається, що на кожну блискучу ідею, яка точно описує, що ми можемо спостерігати і виміряти, доводиться щонайменше одна блискуча ідея, яка намагається описати ті ж речі, але залишається в корені невірної. Минулого тижня ми задалися питанням. який зводиться до приблизно такою суті.

Квантова гравітація. Ми хотіли б знати, чи є який-небудь прогрес у цій галузі за останні п'ять-десять років. Нам, простим смертним, здається, що ця сфера трохи подзастряла, а теорія струн почала падати в забуття, оскільки її складно перевірити і у неї є 10 ^ 500 можливих рішень. Чи правда це, чи ж десь за лаштунками протікає якийсь прогрес, на який преса просто не звертає уваги?

По-перше, варто провести велику роздільну лінію між ідеєю квантової гравітації, рішенням теорії струн (або пропонованим рішенням) і іншими альтернативами.

Почнемо із Всесвітом, яку ми знаємо і любимо. З одного боку, є загальна теорія відносності, наша теорія гравітації. Вона стверджує, що замість того, щоб бути простим дією на відстані, як заповідав Ньютон, коли все маси у всіх місцях надають сили один на одного обернено пропорційно квадрату відстані між ними, в її основі лежить більш тонкий механізм.

Маса, як встановив Ейнштейн з принципом еквівалентності і E = mc ^ 2 в 1907 році, була однією з форм енергії у Всесвіті. Ця енергія, в свою чергу, викривляє саму тканину простору-часу, змінюючи шлях руху всіх об'єктів і змінюючи те, що спостерігач міг спостерігати у вигляді картезіанської сітки. Об'єкти не прискорюються за рахунок невидимої сили, а скоріше подорожують по шляху, який визначається впливом всіх різних форм енергії у Всесвіті.

З іншого боку, у нас є інші закони природи: квантові. Є електромагнетизм, за який відповідають електрично заряджені частинки, їх рух і який описується переносником сили фотоном, який виступає посередником при цих взаємодіях і дарує нам явища, які ми пов'язуємо з електростатикою і магнетизмом. Є також дві ядерних сили: слабка ядерна сила, відповідальна за явища на кшталт радіоактивного розпаду, і сильна ядерна сила, яка утримує атомні ядра разом і дозволяє існувати протонам і нейтронів.

Розрахунки для цих сил зазвичай відбуваються в плоскому просторі-часі, з якого кожен студент починає вивчення квантової теорії поля. Але цього недостатньо, коли ми присутні в викривленому просторі, як того диктує загальна теорія відносності.

«Отже, - скажете ви, - ми просто будемо проводити обчислення нашої теорії поля на тлі викривленого простору!». Це відомо як Напівкласична гравітація, і цей тип обчислень дозволяє нам розраховувати речі на зразок випромінювання Хокінга. Але навіть це є тільки на горизонті самої чорної діри, а не там, де гравітація буде у всій своїй красі. Є багато фізичних випадків, в яких нам придалася б квантова теорія гравітації, і всі вони пов'язані з гравітаційної фізикою на найдрібніших масштабах, на крихітних дистанціях.

Що, наприклад, відбувається в центральних районах чорних дір? Ви можете подумати, мовляв, «о, там же сингулярність», але сингулярність - це не стільки точка з нескінченної щільністю, скільки випадок, де математичний інструмент загальної теорії відносності видає безглузді відповіді на питання про потенціалах і силах. Що відбувається, коли електрон проходить через подвійну щілину. Чи проходить гравітаційне поле через обидві щілини? Або через одну? Загальна теорія відносності нічого не говорить з цього приводу.

Вважається, що повинна бути квантова теорія гравітації, яка пояснить ці та інші проблеми, властиві в «гладкою» теорії гравітації на зразок ОТО. Для того щоб пояснити, що відбувається на малих дистанціях в присутності гравітаційних джерел - або мас, - нам потрібна квантова, дискретна, а значить, і побудована на частинках теорія гравітації.

Завдяки властивостям самої ОТО, щось ми вже знаємо.

Відомі квантові сили визначаються дією частинок, відомих як бозони, або частки з цілим спіном. Фотони визначають електромагнітну силу, W- і Z-бозони виступають посередниками для слабкої ядерної сили, а глюони - для сильного ядерної сили. У всіх цих частинок спин дорівнює 1, причому для масивних частинок спин може приймати значення -1, 0 або +1, тоді як у безмассових частинок (на кшталт глюонів і фотонів) він може приймати значення тільки -1 або +1.

Бозон Хіггса теж є бозоном, тільки не виступає посередником для сил і володіє спіном 0. Наскільки ми знаємо гравітацію - ОТО є тензорною теорією гравітації - її посередником повинна виступати безмасові частка зі спіном 2, а значить її спін може приймати значення -2 або +2 тільки.

Виходить, ми щось знаємо про квантової теорії гравітації ще до спроби сформулювати її. Ми знаємо це, оскільки якою б не була квантова теорія гравітації, вона повинна бути відповідно до ОТО, коли ми маємо справу з не самими малими дистанціями до масивних частинок або об'єктів, так само як і ОТО повинна зводитися до ньютонівської гравітації в режимі слабкого поля.

Велике питання, звичайно, як це зробити. Як квантовать гравітацію, щоб вона була коректна (в описі реальності), співвідносилася з ОТО і КТП і приводила до обчислюваним прогнозам нових явищ, які можуть бути спостережувані, вимірювані або проверями.

Ведучий претендент, як ви знаєте, це теорія струн.

Теорія струн

Теорія струн - найцікавіше поле, яке включає всі стандартні моделі полів і частинок, ферміони і бозони. Вона включає 10-мірну тензор-скалярную теорію гравітації: з 9 просторовими і 1 тимчасовим виміром і параметром скалярного поля. Якщо ми приберемо шість з цих просторових вимірів (через не до кінця зрозумілий процес, який люди називають компактификацією) і дозволимо параметру (ω), який визначає скалярний взаємодія, піти в нескінченність, ми зможемо відновити ОТО.

Однак у теорії струн є цілий ряд феноменологічних проблем. Одна з них полягає в тому, що з теорії випливає величезне число нових частинок, в тому числі і всі суперсиметричні, яких ми досі не виявили. Вона стверджує, що немає необхідності в «вільних параметрах», якими володіє Стандартна модель (для мас частинок), але замінює цю проблему ще гіршою. Коли ми говоримо про 10 ^ 500 можливих рішеннях, ці рішення стосуються очікуваних значень струнних полів, і немає ніякого механізму відновити їх; щоб струнна теорія працювала, вам доведеться відмовитися від динаміки і просто сказати, що «вона повинна була бути обрана Антропний».

Втім, струнна теорія - не єдиний гравець на цьому полі.

Петльова квантова гравітація

ПКГ представляте собою цікавий погляд на проблему: замість того щоб намагатися квантовать частки, ПКГ стверджує, що сам простір є дискретним. Як зазвичай представляють гравітацію: натягнута простирадло з кулею для боулінгу в центрі. Ми також знаємо, що зазвичай простирадло квантів, тобто складається з молекул, які складаються з атомів, які складаються з ядер (кварків і глюонів) і електронів.

Простір може бути таким же! Оскільки воно виступає в якості тканини, то складається з кінцевих квантованих елементів. І, можливо, виткане з «петель», звідки і береться її назву. З'єднайте ці петлі разом, і ви отримаєте мережу, що представляє квантовий стан гравітаційного поля. Згідно цій картині, квантуется не тільки матерія, але і сам простір. Ця наукова галузь до цих пір активно розробляється.

Асимптотично безпечна гравітація

Асимптотична свобода була розроблена в 1970-х роках, щоб пояснити незвичайний характер сильного взаємодії: це була дуже слабка сила на надзвичайно коротких відстанях, яка ставала сильнішою в міру того, як заряджені частинки розходилися далі і далі. На відміну від електромагнетизму, який мав невелику константу взаємодії, у сильної взаємодії вона була велика. Через деяких цікавих властивостей квантової хромодинаміки, якщо ви зв'язуєтеся з нейтральною (кольоровий) системою, сила взаємодії швидко падає. Це можна було пояснити фізичними розмірами баріонів (протонів і нейтронів, наприклад) і мезонів (піонів, наприклад).

Асимптотична свобода, з іншого боку, вирішила фундаментальну проблему, пов'язану з цим: вам потрібні не малі взаємодії, зв'язку (або зв'язку, які прагнуть до нуля), а, скоріше, зв'язку, які просто будуть кінцевими при високоенергетичному межі. Всі константи зв'язку змінюються з енергією, і асимптотична свобода ставить високоенергетичну нерухому точку для константи (технічно, для групи ренорміровкі, з якої витягується константа зв'язку), а все інше можна розраховувати для низьких енергій.

У всякому разі така ідея. Ми з'ясували, як робити це для вимірювань 1 + 1 (одне просторове і один часовий), але не для 3 + 1. Однак прогрес рухається, багато в чому завдяки Крістофу Веттеріху, який видав дві грандіозних роботи в 90-х роках. Не так давно Веттер використовував асимптотическую свободу - всього шість років тому, - щоб розрахувати прогноз маси бозона Хіггса ще перед тим, як ВАК знайшов його. Результат же?

Дивно, але його передбачення ідеально збіглися з знахідками ВАК. Це настільки прекрасне передбачення, що, якщо асимптотична безпеку вірна і маси топ-кварка, W-бозона і бозона Хіггса встановлені остаточно, для стабільної роботи аж до планківських величин фізики не знадобляться інші фундаментальні частинки.

Хоча асимптотично безпечної гравітації не приділяють багато уваги, вона залишається досить привабливою і перспективною теорією, як і теорія струн: успішно Квант гравітацію, зводить ОТО до межі низьких енергією і залишається УФ-кінцевої. Крім того, вона обходить теорію струн по одному параметру: в ній немає цілої гори нового матеріалу, який ми поки не можемо довести.

Причинний динамічна тріангуляція

Виникає (індукована) гравітація

Ось що у нас на сьогоднішній день є по квантової гравітації. Ми впевнені, що без неї не зрозуміємо роботу Всесвіту на фундаментальному рівні, але поняття не маємо, в якому напрямку з представлених п'яти (і інших) рух буде вірним.

Чи потрібна квантової гравітації теорія струн? Ілля Хель