Kaasaegne füüsika on aastakümneid taotlenud sama ambitsioonikat kui hädavajalikku eesmärki: gravitatsiooni kvantkirjelduse andmiseksSee ei ole intellektuaalne kapriis, vaid looduse sidususe nõue: kui teistel fundamentaalsetel interaktsioonidel on kindel kvantformalism, on mõistlik, et gravitatsiooni, neljandat vaidlusalust interaktsiooni, saab samuti käsitleda kvantmehaanika reeglite abil.
Üldrelatiivsusteooria on olnud erakordselt edukas selle selgitamisel, kuidas aegruumi kõverad Massi ja energia olemasolul, miks intensiivsed gravitatsiooniväljad valgust kõrvale kalduvad, kuidas galaktikad suures mastaabis arenevad või mis toimub musta augu läheduses. Sellegipoolest on olemas piirinähtusi – kõige äärmuslikumaid ja mikroskoopilisemaid –, kus nende võrrandid muutuvad ebapiisavaks ja ühilduvus kvantmehaanikaga See lahustub nagu suhkrutükk.
Mida me mõistame kvantgravitatsiooni all?
Nn kvantgravitatsiooni alla koondatakse katsed ühildada sama raamistiku piires Kvantvälja teooria ja Einsteini relatiivsusteooriaPraeguseks pole ühtegi kontrollitud ja kogukonna poolt aktsepteeritud teooriat, mis seda saavutaks, kuid meil on tugevad kandidaadid ja lai valik täiendavaid ettepanekuid.
Võistlust juhivad kaks peamist lähenemisviisi: stringiteooria ja silmuskvantgravitatsioon (või silmuseid). Lisaks neile orbiidialternatiividele, millel on väga erinevad maitsed, näiteks väändumisteooria, mittekommutatiivne geomeetria, lihtsustatud kvantgravitatsioon, eukleidiline kvantgravitatsioon või formuleeringud, mis põhinevad nullpinnad relatiivsusteooriasSelle mitmekesisus illustreerib täpselt väljakutse keerukust.
Motivatsioon on selge: mikroskoopilist maailma juhivad kvantreeglid, tõenäosuslik ja diskreetneSamal ajal kui gravitatsioon pidevalt aegruumi lõuendit painutab, siis kui me püüame neid ilma edasise kaalumiseta ühendada, ilmuvad lõpmatused, vastuolud ja võrrandid, mis lihtsalt ei sobi kokku.
Kaks vastandlikku vaatenurka: kõrged energiad versus relativistid
Paljude osakeste- ja kõrgenergiafüüsikaga tegelevate inimeste jaoks on gravitatsioon nõrgem interaktsioonSee on järjekordne nähtus, mida peaks olema võimalik kirjeldada standardse kvantvälja teooriaga. Sellest vaatenurgast otsitakse "gravitoni" ehk gravitatsioonivälja ergastust, mis sobiks samasse raamistikku nagu elektromagnetism, nõrk ja tugev vastastikmõju, nagu see on saavutatud standardmudelis.
Seda mõttekäiku järgides pakub stringiteooria välja, et osakesed ei ole punktid, vaid ühemõõtmelised filamendid mille võnkumisviisid põhjustavad kõik osakesed ja jõud. Selles loetelus ilmneb gravitatsioon nööri spetsiifilise ergastusena ja probleem taandub – väga lühidalt öeldes – mõistmisele, kuidas see ergastus teadaolevaid gravitatsiooninähtusi reprodutseerib.
Relativistid seevastu hoiatavad, et see strateegia võib olla füüsiliselt ebapiisavÜldrelatiivsusteooria õpetas meile, et füüsika toimimiseks pole kindlat "lava": aegruum on dünaamiline ja osaleb tegevuses. Seetõttu pole gravitatsiooni käsitlemine jäiga tausta ees oleva kvantväljana kohane. reedab Einsteini õppetunni ja see nõuab selliste mõistete nagu ruum ja aeg ümbermõtestamist algusest peale.
Selles valguses seisneb kvantgravitatsiooni väljakutse relatiivsusteooria algatatud kontseptuaalse revolutsiooni edasiviimises, integreerides samal ajal ka kvantmehaanika reeglid, sünteesi suunas, mis sõnastab ümber reaalsuse kõige põhilisemad mõisted.
Silmuskvantgravitatsioon: pidevast struktuurist diskreetse kangani
Väga visuaalne viis idee saamiseks on ette kujutada universumit suure vaibana: suures mastaabis See tundub pidev ja sujuvAga kui me seda üha võimsama "mikroskoobiga" vaatleme, näeksime lõpuks omavahel põimunud niite, justkui ruum "pikselduks" ja lakkaks olemast lõpmatult jagatav. See on selle taga peituv intuitsioon. Silmuskvantgravitatsioon (LQG).
LQG ei eelda fikseeritud tausta. See võtab üldrelatiivsusteooria ja sunnib seda rääkima kvantkeeles. Selles protsessis lakkavad loomulikud muutujad olemast pidevad mõõdikud ja muutuvad sidemetega seotud jälgitavad näitajad (silmused) – tehniliselt Wilsoni silmused –, mis jäädvustavad väljalt infot. See lähenemisviis pakub välja aegruumi efektiivse diskretiseerimise: enam pole mõtet uurida „suvalist punkti“, vaid pigem nende suletud silmuste kaudu.
Kontseptuaalne nihe on oluline: tsüklid ei "ela" eelmises ruumis, defineeri ruum iseGeomeetriline kvantseisund on seega silmuste konfiguratsioon. Kõigel väljaspool neid asuval pole sellel kirjelduse tasemel füüsikalist tähendust.
Operatiivselt muudab puhaste tsüklitega töötamine arvutused keerulisemaks. Peamine lihtsustus kaasneb sellega, et spin-võrgudSelle idee, mille algselt tutvustas Roger Penrose ja taaselustas LQG algprintsiipide põhjal, hõlmab graafe: sõlmedes ühendatud ja spinnide märgenditega j = 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,… laetud sirged (servad), millel on orientatsioon (sissetulev või väljaminev) ja sõlmedes olevad matemaatilised objektid (põimumised), mis seovad sissetulevate ja väljaminevate servade märgendeid.
Nende koostisosadega pakub LQG geomeetrilised operaatorid —pikkus, pindala, ruumala— mille spektrid on diskreetsed. Näiteks pinna pindala saadakse, loendades, mitu spinnvõrgustiku serva seda läbivad, ja kombineerides nende sildid kindla funktsiooni abil. See tähendab, et juhtumiga j = 1/2 on seotud minimaalne pindala ja et konstruktsiooni järgi Kõik piirkonnad pole võimalikud.aga kvantiseeritud väärtused. Midagi sarnast juhtub ka mahtude ja nurkadega.
Teoreetiliselt ilmub reaalne parameeter, nimelt Barbero-Immirzimille roll pole veel täielikult paika pandud. Puudub teoreetiline piirang, mis selle väärtust fikseeriks (peale selle ei ole see null) ja erinevad argumendid püüavad seda füüsikaliste kaalutluste põhjal määrata.
LQG edusammud, saavutused ja takistused
Üks LQG kuulsamaid edulugusid on tuletamine mustade aukude entroopiaproportsionaalsuse saavutamine horisondi pindalaga nagu Bekensteini-Hawkingi seaduses (S ∝ A). Varased arengud nõudsid Barbero-Immirzi parameetri kohandamist, et saavutada 1/4 koefitsient, mis tundus olevat "trikk". Hilisemad tööd pakuvad aga viise õige proportsionaalsuse taastamiseks ilma selle ad hoc kohandamiseta ja ka stsenaariumides, kus astrofüüsiliselt usutavad mustad augud.
Kosmoloogias, kui seda tehnikat rakendatakse varajasele universumile (LQC, Loop Quantum Cosmology), lakkab Suure Paugu singulaarsus olemast läbimatu piir: süsteem läbib sujuvalt äärmusliku tiheduse seisundi, mida tuntakse kui suur tagasilöök (Suur põrge). Kui see nii on, siis võis meie universum olla tekkinud eelmisest kokkuvarisemise faasist. See idee ajendab vaatlusjälgede otsimist kosmiline mikrolainekiirgus mis võimaldab mudelit testida.
LQG kõige sagedamini viidatud nõrkuseks on ühemõtteline demonstreerimine, et selle klassikaline piirväärtus reprodutseerib Üldrelatiivsusteooria väikeste kvantkorrektsioonidega, just nagu kvant-elektrodünaamika naaseb sobivas piiris Maxwelli võrrandite juurde. See samm – Einsteini puhas taastamine – on järjepidevuse kriteerium, mida pole veel soovitud robustsusega täidetud.
Ühendamine? Rangelt võttes ei ole LQG ühendav teooria: see saab mahutada mateeriavälju elades spinnvõrgustikes ilma nendevahelisi suhteid sundimata. Ometi asetab see gravitatsiooni samasse gabariidikeelde kui teised interaktsioonid, mis moodustab peene formaalse joondamise vormi. Tegelikult on hiljutised arengud laiendanud selle tehnikaid rohkem dimensioone ja supersümmeetriatavades ukse tulevastele ühendustele teiste raamistikega.
Stringiteooria ja muud konkureerivad teed
Stringiteooria särab oma ambitsioonikusega: see esitab matemaatilise raamistiku, kus kõik osakesed ja jõud, sealhulgas gravitatsioon, ilmnevad järgmiselt: vibratsioonirežiimid ühemõõtmeliste stringide puhul. Järjepidevuse tagamiseks on vaja supersümmeetriat ja lisamõõtmeid (10 või 11, olenevalt versioonist) – koostisosi, mille kohta praegu puuduvad selged eksperimentaalsed tõendid: kumbki superkaaslased teadaolevatest osakestest ega varjatud mõõtmete märke.
Vaatamata probleemidele on stringiteooria suutnud ühendada hulgaliselt erinevaid nähtusi elegantseks formalismiks ja toimib võimsate tehnikate laborina. LQG ja stringiteooria ei pea tingimata olema välistavad teineteistTegelikult jagavad nad ühemõõtmeliste ergastuste olemasolu (ühel juhul stringid ja teisel silmused) ning pole ebamõistlik mõelda tulevase komplementaarsuse stsenaariumidele.
Lisaks neile kahele on veel uurimissuundi, mille nimed on samavõrd sugestiivsed kui TwistersLihtsustatud kvantgravitatsioon, mittekommutatiivne geomeetria, eukleidiline kvantgravitatsioon või nullpindadel põhinevad formuleeringud. Igaüks neist pakub spetsiifilisi teadmisi ja tööriistu ning koos toidavad nad ideede ökosüsteemi, mis võiks ühel päeval kristalliseeruda õigeks teooriaks.
Eksperimentaalsed vihjed: sügavast kosmosest laborisse
Kvantgravitatsiooni teooria peamine kriitika on selle eksperimentaalne kaugus: kõige selgemad mõjud on peidetud väga väikestes skaalades. meie tehnoloogiale keelatudSellegipoolest on olemas nutikaid viise kaudsete märkide otsimiseks või piiride seadmiseks.
Märkimisväärne näide pärineb ESA Integral missioonist, gammakiirguse teleskoobist, mis on võimeline mõõtma polarisatsiooni. Mõned hüpoteesid ruumi granulaarsuse kohta väikeses skaalas ennustavad, et gammafootonite levik läbib kerge energiasõltuva "keerdumise", muutes kumulatiivne polarisatsioon suurte vahemaade tagant.
Philippe Laurenti meeskond (CEA Saclay) analüüsis andmeid ühe intensiivseima gammakiirguse purske kohta, mis eales registreeritud. GRB 041219A (19. detsember 2004) ega tuvastanud instrumentaalsete piiride piires kõrge ja madala energiaga footonite polarisatsioonierinevusi. IBIS-instrumendi ja eelkäijatest umbes 10 000 korda parema lahutusvõime abil suutsid nad signaali puudumise tõlkida kindlateks piirideks: kui granulaarsus on olemas, peab selle iseloomulik skaala olema palju väiksem kui 10-35 m, lükates kõrgusi poole umbes 10-48 m või isegi vähem.
Veel üks integraaltest, seekord koos Krabi udukogu (2006) kinnitas järeldust, ehkki väiksema ulatusega, arvestades, et allikas on palju lähemal ja kumulatiivsed mõjud oleksid väikesed. Kokkuvõttes viitavad need tulemused teatud stringide või LQG versioonide kõrvaleheitmisele, mis ennustavad ligipääsetavamaid polarisatsioonipöördeid, ja sunnivad meid hüpoteese täpsustada või hüljata.
Laboris saavutas Southamptoni ülikooli (Suurbritannia) meeskond Tim M. Fuchsi juhtimisel hiljuti verstaposti: neil õnnestus mõõta gravitatsioonilist vastastikmõju mikroskoopiline skaala külmavärinaid tekitava tundlikkusega. Tema idee: levitada 0,43 milligrammi kaaluvat eset ülijuhtivate magnetite abil absoluutse nulli lähedasel temperatuuril ja seejärel tuvastada jõude, mis on kuni 30 attonjuutonit (attonjuuton on üks triljondik njuutonist).
Tehnoloogiline saavutus on ilmne, aga oluline on see, et see metroloogiline võimsus See viib meid lähemale võimalusele jälgida gravitatsiooni kvantmõjude esimesi vihjeid üha kergemates süsteemides. Plaan on korrata katset väiksemate massidega, kuni jõuame kvantmaailma, mis on oluline samm, kui tahame oletused reaalsuseks muuta. kindlad tõendid.
Samuti on tekkimas ebatraditsioonilisi lähenemisviise, näiteks ettepanek postkvantne klassikaline gravitatsioon (seotud Oppenheimiga), mis pakub välja kvantteooria muutmise, et see oleks üldrelatiivsusteooriaga ühilduv ilma gravitatsiooni kui sellist kvantiseerimata. See on ebatavaline lähenemine, kuid see ergutab arutelu selle üle, mis tegelikult peab muutuma, et kõik kokku sobiks.
Samal ajal teadlased Aalto Ülikool Mikko Partanen ja Jukka Tulkki on esitanud gravitatsiooni uue formuleeringu gabariiditeooriana, mille sümmeetriad on analoogsed standardmudeli omadega. Peamine on kirjeldada interaktsioone gabariidivälja – näiteks elektromagnetvälja – kaudu ja sobitada gravitatsioon sellesse vormi. ühilduv sümmeetria teiste jõududega. Nende töö, mis avaldati ajakirjas Reports on Progress in Physics, käsitleb renormaliseerimist lõpmatuste taltsutamisena: nad on näidanud, et see toimib vähemalt esimese astmeni ja püüavad seda demonstreerida kõigis astmetes. Kui neil õnnestub, avavad nad tee ... suunas. renormaliseeritav kvantvälja teooria gravitatsioonist.
Kuigi need edusammud ei ole veel koheselt rakendatavad, tasub meeles pidada, et igapäevased tehnoloogiad – näiteks GPS teie mobiiltelefonis– need toimivad tänu relatiivsusteooriale. Parem arusaam gravitatsioonist, kui see on pakitud operatiivsesse kvantformalismi, võib vallandada praktilisi üllatusi, mida me täna isegi ei kahtlusta.
Praegune olukord: kindlused, kahtlused ja võimalikud kokkulangevused
Praegu võistlevad kaks peamist kandidaati – köied ja LQG – reaalsuse selgitamises, kuid nad võivad ka täiendada konkreetsetes aspektides. On võimalik, et mõlemad lähenemisviisid osutuvad mittetäielikuks (või valeks) ja lahendus peitub sünteesis, mis pärib mõlema parimad küljed. Kindel on see, et see tee nõuab empiirilisi tõendeid: kõrge energiaga astrofüüsika piirid, äärmuslik metroloogia laboris ja kosmoloogilised jäljed taevas.
Alternatiivsed ettepanekud rikastavad maastikku ja julgustavad üle vaatama selliseid kontseptsioone nagu aegruumi järjepidevus, geomeetrilise tausta roll või sümmeetriate struktuur mis valitsevad loodust. Samal ajal peab teoreetiline töö jätkama lõpmatuste täpsustamist, klassikaliste piiride selgitamist ja falsifieeritavate vaadeldavate suuruste pakkumist.
Tehniline ülevaade: väljad, potentsiaal ja ühendused
Kasulik ajalooline vihje on meenutada rolli gabariidipotentsiaalid ja väljajooned (Faraday seadused) mittegravitatsioonilistes interaktsioonides. Elektromagnetismis on nii nõrkade kui ka tugevate potentsiaalide ja gabariidisümmeetriate loomulik keel. Kui gravitatsioon sellele keelele peale surutakse, tekivad sellised struktuurid nagu Wilsoni lipsud mis kodeerivad välja holonoomilist informatsiooni.
LQG vaatenurgast on see, mida saab järjepidevalt mõõta, seotud nende silmustega, mida juba tuntakse kvantgraafidena – spinnvõrkudega –, kus servamärgised j ei ole suvalised: need peegeldavad aluseks oleva sümmeetria esitusi ja kontrollivad täpsete reeglite abil, kui suur on pindala või maht See on määratud pindade või piirkondadega lõikumispunktidele. See diskreetne „detailsus“ ei ole pealesurutud võrk, vaid geomeetria kvantstruktuuri tagajärg.
Asjaolu, et sõlmed majutavad põimijaid (morfisme, mis ühendavad sisse- ja väljapoole suunatud servadSee näitab, et kvantgeomeetria ei ole pelgalt servade ääres lokaalne, vaid et lõikepunktides valitsev järjepidevus tekitab globaalseid seoseid. See pakub matemaatilist raamistikku, millest lähtuvalt saab proovida dünaamikat rekonstrueerida ja loodetavasti ka... klassikaline piir õige
Ja kuidas on lood kosmoloogiliste vaatluste rolliga?
Kui ruumi struktuur oleks diskreetne, võiksid väikesed signatuurid ilmneda sellistes nähtustes nagu levimine gravitatsioonilained või kosmilise mikrolaine tausta peenetes korrelatsioonides. Praegu on maja veel puhastamata: piirid on kooskõlas erakordselt sujuva aegruumiga kuni skaaladeni alla 10-35 Gammapolarisatsiooni andmete kohaselt liigub see 10 suunas-48 m. Iga teooria, mis ennustab suuremaid efekte, on juba köiel.
Lähiaastad võivad anda uusi vihjeid: tundlikumad instrumendid, ulatuslikumad gaaskiirte kataloogid, üha täpsemad polarisatsioonianalüüsid ja katsed levitatud tainas mis toovad gravitatsiooni kvantrežiimi laborilauale lähemale. Iga andmeosa sunnib teooriat ummikteid kohandama või neist loobuma.
Viited ja soovitatav kirjandus
Sügavamaks sukeldumiseks vaadake üle Carlo rovelli (1998) teoses „Living Reviews in Relativity on Loop Quantum Gravitation” (doi:10.12942/lrr-1998-1). Kasulikud on ka ülevaated hiljutistest uuringutest LQG ja kvantkosmoloogia valdkonnas, samuti populaarteaduslikud artiklid, mis koondavad osalised tulemused ja väljakutsedVaatluspiirangute osas käsitleb ESA Integral missiooni dokumentatsioon üksikasjalikult gammapolarisatsiooni analüüse (sealhulgas GRB 041219A ja Krabiudukogu). Eksperimentaalses laborikeskkonnas kirjeldab Fuchsi meeskonna eeltrükk järgmist: metroloogia attonjuutoniteks levitatud massidega. Ja gravitatsioonilise gabariitmeetodi jaoks on heaks lähtepunktiks Partaneni ja Tulkki töö teoses „Reports on Progress in Physics”.
Pärast seda teekonda on selge, et kvantmehaanika ja gravitatsiooni leppimine jääb lahtiseks, kusjuures peamisteks sümboliteks on nöörid ja paelad, alternatiivsed ettepanekud avardavad silmaringi ning andmed – kosmosest krüogeeniani – juba täpsustavad hüpoteese; lõppeesmärk osutab raamistikule, mis austab ruumi-aja dünaamika, eksisteerivad koos kvantteooriaga ja läbivad lõpuks eksperimendi testi.
