Петлевая квантовая гравитация

Петлевая квантовая гравитация предсказала переход между черной и белой дырой

Петлевая квантовая гравитация

Mario Klingemann / flickr.com

Американские физики рассчитали квантовые поправки к геометрии макроскопической черной дыры Шварцшильда-Крускала, которые возникают в рамках петлевой квантовой гравитации. В результате ученые обнаружили, что сингулярность превращается в поверхность перехода, которая соединяет черную и белую дыру.

Физики утверждают, что их расчеты свободны от ограничений, возникавших в предыдущих работах. в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Параллельно авторы выпустили более подробную версию статьи в Physical Review D (препринт).

В настоящее время физики не сомневаются в существовании черных дыр, поскольку его подтверждает множество независимых данных — в частности, наблюдения за сверхмассивными черными дырами в центрах галактик и гравитационные волны, излученные при слиянии двойных систем массой порядка нескольких десятков масс Солнц.

Тем не менее, все такие наблюдения позволяют изучить только «внешние» свойства черной дыры, связанные с пространством-временем за пределами ее горизонта событий.

Что же происходит внутри черной дыры, не знает никто — по современным представлениям, как только предмет пересекает горизонт, он навсегда теряется для внешнего мира.

Хуже того: когда объект достигает сингулярности в центре дыры, квантовые и гравитационные эффекты становятся так сильны, что Стандартная модель (СМ) и Общая теория относительности (ОТО) перестают работать. Что происходит в этот момент с объектом — одна из самых больших загадок современной физики.

Чтобы решить эту загадку, нужно объединить СМ и ОТО и построить единую теорию, которая одинаково хорошо описывает квантовые эффекты и гравитацию. К сожалению, физики до сих пор не смогли этого сделать.

проблема кроется в том, что СМ работает с квантовыми полями, которые «живут» на фоне плоского пространства-времени, а ОТО описывает пространство-время классическим образом, не позволяющим проквантовать гравитационное взаимодействие (по крайней мере, привычным для физики элементарных частиц способом). Чтобы объединить эти теории, нужна принципиально новая идея.

Одна из теорий, которая претендует на роль «Теории всего» — это петлевая квантовая гравитация (ПКГ). В этой теории пространство-время дискретно (в отличие от непрерывного пространства-времени ОТО), то есть состоит из маленьких петелек, размеры которых сравнимы с планковским масштабом.

Основы петлевой квантовой гравитации была заложены в середине 80-х годов прошлого века Абаем Аштекаром (Abhay Ashtekar) и Ли Смолиным (Lee Smolin).

К сожалению, математический аппарат, на который полагается петлевая гравитация, довольно сложен, и долгое время физикам не удавалось использовать его, чтобы посчитать какие-то реальные эффекты, возникающие на границах применимости СМ и ОТО.

Тем не менее, в 2006 году Аштекар показал, что теория петлевой квантовой гравитации устраняет сингулярность Большого взрыва — в этой теории исходные размеры Вселенной конечны, хотя и очень малы.

В том же году ученые рассмотрели квантование пространства-времени на фоне упрощенной модели черной дыры и разработали общий подход, который позволяет работать с сингулярностями. Этот подход включает в себя четыре основных шага.

На первом шаге классическая теория гравитации переводится в гамильтонову форму с помощью переменных связности (переменных Аштекара). На втором шаге теория квантуется с помощью коммутационных соотношений, которые «спускаются» из полной теории ПКГ.

На третьем шаге с помощью голономий (переносов) связности вокруг подходящих петель, охватывающих минимально допустимую площадь, конструируются ограничения на квантовый гамильтониан. Наконец, на последнем шаге рассчитываются «эффективные уравнения», которые учитывают квантовые поправки к классическим уравнениям, и вычисляются физические последствия таких поправок.

На этом подходе основан, по крайней мере, десяток теоретических статей, которые исследуют сингулярность внутри черной дыры (подробнее можно прочитать в обзоре Алехандро Переса). Тем не менее, все эти статьи отличаются реализацией третьего шага, физический смысл которого остается под вопросом.

Как правило, исследователи отбирают подходящие петли с помощью нескольких квантовых параметров — одни их жестко фиксируют, другие считают, что они сохраняются на эффективных траекториях в фазовом пространстве, третьи оставляют им еще больше свободы. Поэтому во всех работах эффективная динамика получилась разной.

Более того, во всех статьях эффективную геометрию не удавалось продолжить в асимптотическую область, то есть «склеить» ее с пространством за пределами черной дыры.

В новой статье Аштекар с соавторами, похоже, устранили эти паталогические проблемы. Здесь ученые рассмотрели квантовые поправки к геометрии макроскопической черной дыры Шварцшильда-Крускала, которая имеет ряд важных особенностей.

Во-первых, кривизна пространства-времени в этой геометрии ограничена сверху. Во-вторых, пространство-время допускает неограниченное число «ловушек» (черных дыр), «анти-ловушек» (белых дыр) и свободных регионов.

Белая дыра — это объект, который может выбрасывать материю, но не может поглощать. В-третьих, в свободном регионе можно пренебречь квантовыми поправками. Кроме того, для простоты ученые считали, что черная дыра существует вечно, а не образуется в результате коллапса материи.

Эти ограничения позволили физикам вывести несколько условий необходимости и достаточности, с помощью которых они выводят эффективные уравнения.

Как и в предыдущих работах, ученые придерживалимь стандартного подхода из четырех шагов.

В рамках этого подхода исследователи поместили петли на поверхность перехода, на которой кривизна пространства максимальна, и зафиксировали квантовые параметры на фазовых траекториях.

Поскольку каждое решение допускает только одну поверхность перехода, петли и квантовые параметры были выбраны корректно. Наконец, ученые вывели эффективные уравнения и «склеили» внешнюю область с областью, которая содержит сингулярность.

В результате физики получили, что из-за квантовых поправок сингулярность превращается в поверхность перехода, которая соединяет черную и белую дыру. Грубо говоря, в этом рассмотрении эволюция черной дыры выглядит следующим образом. Сначала черная дыра поглощает материю.

Кроме того, дыра постепенно испаряется за счет излучения Хокинга, а ее горизонт событий сжимается. Когда радиус горизонта достигает планковских масштабов, в игру вступают квантовые эффекты, которые заставляют черную дыру превратиться в белую.

После этого дыра выбрасывает всю поглощенную материю обратно в космос. Таким образом, информационный парадокс, согласно которому информация обо всех объектах, попавших в черную дыру, бесследно теряется, в этой модели не возникает.

Более того, в отличие от классической черной дыры, полученное физиками решение обратимо во времени.

Диаграмма Пенроуза, описывающая переход между черной дырой (снизу) и белой дырой (сверху)

C. Rovelli / Aix-Marseille University; adapted by APS/Alan Stonebraker

Впрочем, стоит отметить, что теория петлевой квантовой гравитации имеет ряд недостатков, которые физики пока не смогли устранить. Самый большой из них — отсутствие классического предела, в котором ПКГ переходит в Общую теорию относительности. Проще говоря, петлевая гравитация может быть очень красивой теорией, однако до сих пор ученые так и не доказали, что она действительно описывает наш мир. Второй существенный недостаток — до сих пор ПКГ не предсказала никаких эффектов, которые не были предсказаны СМ или ОТО и которые могли бы быть проверены в эксперименте. Разумеется, группа Аштекара называет ряд эффектов, которые как будто подкрепляют их теорию — например, быстрые радиовсплески (FRB) или частицы очень высоких энергий, — однако на деле они выглядят не очень убедительно, поскольку все их в принципе можно списать на другие теории. Кроме того, для полноты нужно рассматривать квантовые поправки во всем внутреннем объеме дыры, а не ограничиваться сингулярностью, как поступила группа Аштекара.

В прошлом месяце мы писали об успехах другой квантовой теории гравитации — так называемой асимптотически безопасной квантовой гравитации.

В рамках этой теории физики-теоретики Астрид Эйххорн (Astrid Eichhorn) и Аарон Хельд (Aaron Held) рассчитали отношение масс t-кварка и b-кварка и показали, что оно согласуется с данными измерений на ускорителях.

Впрочем, некоторые теоретики считают теорию с асимптотической безопасностью довольно «скучной», поскольку она не вводит новые красивые сущности, как теория струн или петлевая квантовая гравитация.

Подробно прочитать про парадоксы черных дыр, которые возникают при попытке совместить Общую теорию относительности и Стандартную модель, можно в интервью с физиком-теоретиком Эмилем Ахмедовым «Никакого парадокса нет» и «Уйдем по направлению световой бесконечности».

Дмитрий Трунин

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/12/12/loop-kruskal

Теория струн встречается с петлевой квантовой гравитацией

Петлевая квантовая гравитация

Восемьдесят лет прошло с тех пор, как физики поняли, что теории квантовой механики и гравитации несовместимы, и загадка их комбинирования остаётся неразрешённой.

За последние десятилетия исследователи изучали эту задачу двумя разными путями – через теорию струн и через квантовую гравитацию – которые практикующие их учёные считают несовместимыми. Но некоторые учёные доказывают, что для продвижения необходимо объединить усилия.

Среди попыток объединения квантовой теории и гравитации больше всего внимания привлекла теория струн. Её предпосылка проста: всё состоит из маленьких струн. Струны могут быть замкнуты или разомкнуты; они могут вибрировать, растягиваться, объединяться или распадаться.

И в этом многообразии лежат объяснения всех наблюдаемых явлений, включая материю и пространство-время.

Петлевая квантовая гравитация (ПКГ), наоборот, придаёт меньше значения материи, присутствующей в пространстве-времени, и больше концентрируется на свойствах самого пространства-времени. В теории ПКГ пространство-время – это сеть. Плавный фон теории гравитации Эйнштейна заменяется узлами и звеньями, которым назначаются квантовые свойства. Таким образом, пространство состоит из отдельных кусочков. ПКГ в основном занимается изучением этих кусочков. Этот подход долгое время считался несовместимым с теорией струн. В самом деле, их различия очевидны и глубоки. Для начала, ПКГ изучает кусочки пространства-времени, а теория струн исследует поведения объектов в пространстве-времени. Эти области разделяют и технические проблемы. Теории струн необходимо, чтобы в пространстве было 10 измерений; ПКГ в высших измерениях не работает. Теория струн предполагает наличие суперсимметрии, в которой у всех частиц есть пока не обнаруженные партнёры. Суперсимметрия не свойственна ПКГ.
Эти и другие различия разбили сообщество физиков-теоретиков на два лагеря. «Конференции разделяются, — говорит Дордж Пуллин, физик из Университета штата Луизиана и соавтор учебника по ПКГ. – Петлевики ездят на петлевые конфы, струнники – на струнные. Они теперь даже не ездят на конференции по „физике“. Я думаю, что это весьма прискорбно». Но некоторые факторы могут сдвинуть эти лагеря поближе. Новые теоретические открытия выявили возможные сходства между ПКГ и теорией струн. Новое поколение струнных теоретиков вышло за пределы струнной теории и начало поиски методов и инструментов, могущих оказаться полезными для создания «теории всего». И недавний парадокс с потерей информации в чёрных дырах заставил всех почувствовать себя скромнее.

Более того, в отсутствие экспериментальных подтверждений струнной теории или ПКГ, математическое доказательство того, что они являются двумя сторонами одной монеты, послужило бы доводом в пользу того, что физики в поисках «теории всего» движутся в верном направлении. Комбинация ПКГ и струнной теории сделала бы новую теорию единственной.

Неожиданная связь

Попытки решить некоторые проблемы ПКГ привели к первой неожиданной связи с теорией струн. У изучающих ПКГ физиков нет чёткого понимания того, как перейти от кусочков сети пространства-времени к крупномасштабному описанию пространства-времени, совпадающему с ОТО Эйнштейна – нашей лучшей теорией гравитации.

Более того, их теория не может примириться с тем особым случаем, в котором гравитацией можно пренебречь. Это проблема, подстерегающая любую попытку использования пространства-времени по кусочкам: в СТО линейные размеры объекта уменьшаются в зависимости от движения наблюдателя относительно объекта.

Сжатие также влияет и на размер кусочков пространства-времени, которые воспринимаются по-разному наблюдателями, движущимися на разных скоростях. Это расхождение приводит к проблемам с центральным принципом теории Эйнштейна – что законы физики не зависят от скорости наблюдателя.

«Сложно вводить дискретные структуры, не испытывая проблем с СТО»,- говорит Пуллин.

В своей работе, написанной в 2014 году с коллегой Рудольфо Гамбини, физиком из Республиканского университета Уругвая в Монтевидео, Пуллин пишет, что приведение ПКГ в соответствие с СТО неизбежно влечёт за собой появление взаимодействий, похожих на присутствующие в теории струн.

То, что у этих двух подходов есть что-то общее, казалось Пуллину вероятным со времён плодотворного открытия, сделанного в конце 1990-з Хуаном Малцаденой, физиком из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Малцадена в антидеситтеровском пространстве-времени (AdS) привёл в соответствие теорию гравитации и конформную теорию поля (CFT) на границе пространства-времени. Используя подход AdS/CFT, теорию гравитации можно описать при помощи более понятной теории поля.

Полная версия дуализма пока является гипотезой, но у неё есть хорошо разобранный ограничивающий случай, к которому не имеет отношения теория струн. Из-за того, что струны в этом случае не играют роли, его можно использовать в любой теории квантовой гравитации. Пуллину видится здесь точка соприкосновения.
ПКГ в представлении художника

Герман Верлинде, физик-теоретик из Принстонского университета, частенько работающий с теорией струн, считает правдоподобным то, что методы ПКГ могут пролить свет на гравитационную сторону дуализма. В недавней работе он описал упрощённую модель AdS/CFT в двух измерениях для пространства и одного для времени, или, как говорят физики, в случае «2+1».

Он обнаружил, что пространство AdS можно описать при помощи таких сетей, что используются в ПКГ. Несмотря на то, что вся конструкция пока работает в «2+1», она предлагает новый взгляд на гравитацию. Верлинде надеется обобщить модель для большего количества измерений. «На ПКГ смотрели слишком узко. Мой подход включает и другие области.

В интеллектуальном смысле это взгляд в будущее»,- сказал он.

Но даже если удастся скомбинировать методы ПКГ и струнной теории, чтобы продвинуться вперёд с пространством AdS, останется вопрос: насколько такая комбинация окажется полезной? У пространства AdS космологическая константа отрицательная (это число описывает геометрию Вселенной на больших масштабах), а у нашей Вселенной – положительная. Мы не живём в математической конструкции, описываемой пространством AdS. Подход Верлинде прагматичен. «Например, для положительной космологической константы нам может понадобиться новая теория. Тогда вопрос в том, насколько она будет отличаться от этой. AdS пока – наилучший намёк на искомую структуру, и нам нужно совершить какой-то трюк, чтобы прийти к положительной константе». Он считает, что учёные не теряют время с этой теорией зря: «Хотя AdS и не описывает наш мир, она даст нам уроки, которые поведут нас в нужном направлении».

Объединение на территории чёрной дыры

Верлинде и Пуллин указывают на ещё одну возможность объединения сообществ струнной теории и ПКГ: загадочная судьба информации, попадающей в чёрную дыру. В 2012 году четверо исследователей из Калифорнийского университета обратили внимание на противоречие в господствующей теории.

Они утверждали, что если чёрная дыра позволит информации убегать из неё, это уничтожит тонкую структуру пустого пространства вокруг горизонта чёрной дыры, и создаст высокоэнергетический барьер – «файервол». Но такой барьер несовместим с принципом эквивалентности, лежащим в основе ОТО, утверждающим, что наблюдатель не может сказать, пересёк ли он горизонт.

Эта несовместимость внесла возмущение в ряды струнных теоретиков, считавших, что понимают связь чёрных дыр с информацией, и вынужденных снова схватиться за свои записные книжки. Но эта проблема важна не только для струнных теоретиков. «Весь этот спор вокруг файерволов вёлся в основном в сообществе струнных теоретиков, чего я не понимаю,- сказал Верлинде.

– Вопросы квантовой информации, запутанности и постройки математического Гилбертова пространства – это то, над чем работали специалисты по ПКГ».

В это время произошло незамеченное большинством специалистов по струнам событие – падение барьера, возведённого суперсимметрией и дополнительными измерениями.

Группа Томаса Тиманна [Thomas Thiemann] в Университете Эрлангена — Нюрнберга (Германия) распространила ПКГ на высшие измерения и включила в неё суперсимметрию – а эти понятия раньше были территорией исключительно теории струн.

Недавно Норберт Бодендорфер [Norbert Bodendorfer], бывший студент Тиманна, работающий в Варшавском университете, применил методы петлевой квантификации из ПКГ к пространству AdS. Он утверждает, что ПКГ полезно для работы с дуальностью AdS/CFT в тех случаях, когда струнные теоретики не могут проводить гравитационные подсчёты.

Бодендорфер считает, что существовавшая между ПКГ и струнами пропасть исчезает. «Иногда у меня складывалось впечатление, что струнные теоретики очень плохо разбираются в ПКГ и не хотят говорить об этом,- сказал он. – Но более молодые специалисты демонстрируют открытость взглядов.

Им очень интересно, что происходит на стыке областей».

«Самое большое различие состоит в том, как мы определяем наши вопросы,- говорит Верлинде. – Проблема больше социологическая, а не научная, к сожалению». Он не думает, что два подхода конфликтуют: «Я всегда считал струнную теорию и ПКГ частями одного описания. ПКГ это метод, а не теория. Это метод размышления над квантовой механикой и геометрией. Это метод, который струнные теоретики могут использовать, и уже используют. Эти вещи не исключают друг друга».

Но не все уверены в этом Моше Розали [Moshe Rozali], струнный теоретик из Университета Британской Колумбии, сохраняет скептицизм по поводу ПКГ: «Я не работаю над ПКГ потому, что у неё есть проблемы с СТО,- говорит он.

– Если ваш подход с самого начала без уважения относится к симметриям в СТО, вам потребуется чудо на одном из промежуточных шагов». Тем не менее, по словам Розали, некоторые математические инструменты, пришедшие из ПКГ, могут пригодиться. «Не думаю, что существует возможность объединения ПКГ и струнной теории.

Но людям обычно нужны методы, и в этом смысле они похожи. Математические методы могут пересекаться».

Также и не все приверженцы ПКГ ждут слияния двух теорий. Карло Ровелли, физик из Марсельского университета и основатель теории ПКГ верит в преобладание своей теории. «Сообщество любителей струн уже не такое заносчивое, как десять лет назад, особенно после жестокого разочарования отсутствием суперсимметричных частиц,- говорит он.

– Возможно, что две теории могут быть частями одного решения… но я думаю, вряд ли. По-моему, струнная теория не смогла дать то, что она обещала в 80-х годах, и представляет собою одну из тех идей, что выглядят симпатично, но не описывают реальный мир, которых в истории науки было полно.

Не понимаю, как люди ещё могут возлагать на неё надежды».

Пуллин же считает, что объявлять победу преждевременно: «Приверженцы ПКГ говорят, что их теория единственно верна. Я под этим не подпишусь. Мне кажется, что обе теории чрезвычайно неполны».

  • теория струн
  • струнная теория
  • петлевая квантовая гравитация
  • 22 марта 2015 в 00:29
  • 16 апреля 2014 в 23:28
  • 24 сентября 2010 в 00:42

Источник: https://habr.com/post/372527/

Квантовая петлевая гравитация: теория Ы не о гравитации

Петлевая квантовая гравитация

В этом посте будет предпринята попытка более-менее понятным языком прояснить суть модной теории ПКГ, а так же показана реальная польза фундаментальных исследований. Для адекватного понимания написанного рекомендую прочитать предыдущие посты. Хотя бы чтоб не путаться с терминами.

Во-первых: петлевая квантовая гравитация это не теория о гравитации! Да, представьте себе. Если точнее, это теория не только о гравитации, а вообще обо всех взаимодействиях и ещё до кучи о… Впрочем, давайте начнём с начала – с самой гравитации

.

Подавляющее большинство людей знакомо с понятием гравитации хотя бы на уровне школьной физики и закона Ньютона: материальные тела притягиваются, сила притяжения зависит от массы и квадрата расстояния между этими массами. Однако мало кто задумывается о процессе притяжения и результатах воздействия гравитации с точки зрения самой материи и пространства, её содержащего.

Итак, представьте себе самую обычную, каждодневную ситуацию: пусть в абсолютно пустом пространстве (вакууме) у нас есть два идеальных сферических коня. На некотором расстоянии друг от друга, естественно.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что эти два коня начнут притягиваться друг к другу. Пусть притягиваются, не будем им мешать. В результате действия гравитации кони будут ускоряться, то есть набирать скорость.

Скорость, как мы знаем, соответствует такому понятию как кинетическая энергия, а значит, под действием гравитации кони эту самую кинетическую энергию будут приобретать.

По ходу дела эти же кони будут уменьшать свою так называемую потенциальную энергию, которая тоже из курса школьной физики. По итогам воздействия гравитации идеальные сферические кони друг с другом всё-таки столкнутся, испытав соударение.

Но что есть соударение? Это упругое до определённой степени взаимодействие, приводящее к обмену кинетическими энергиями, а так же к возрастанию внутренней энергии (температуры) столкнувшихся тел на ту самую «неупругость» которая отличает абсолютно упругие тела от не абсолютно упругих.

Если вернуться к нашим коням и допустить, что они хоть и идеальные, но всё-таки состоят из атомов, то идеальной упругости у них нет. Значит, часть энергии столкновения перейдёт в тепло, которое можно заметить по тепловому излучению.

Конечно, после столкновения кони разлетятся на некоторое расстояние, при котором вся их кинетическая энергия опять не превратится в потенциальную.

Сомневающиеся в нагреве тел при воздействии на них механических ударов могут взять два урановых лома, постучать ими друг об друга, а затем проверить место соударения на нагрев. Только не берите ломы из 235-го, это слегка небезопасно.

Итак, цимес. Было: кони идеальные сферические две штуки, удалённые друг от друга. Стало: кони идеальные сферические, нагретые, удалённые друг от друга на меньшее расстояние.

Ещё раз, для танкистов: результатом воздействия гравитации явилось рождение материи (тепловых фотонов), т.е. гравитация переводит расстояние между объектами в материю (энергия – тоже форма материи).

Пространство по этим соображениям оказывается материальным само по себе даже без привязки к энергии вакуума. Да ну на хер, быть не может Интересно, ага?

Какие выводы из этого следует сделать, прежде всего.

1) Поскольку мы знаем про закон сохранения энергии (энергия не берётся из ниоткуда и не исчезает в никуда), получается, что само по себе пространство несёт в себе энергию, которая способна перейти в знакомый нам нагрев. А поскольку описанный выше процесс энергетически выгоден системе (обратный переход затруднён), привычная материя имеет меньше энергии, чем пространство без неё. Что тоже само по себе занимательно.

2) Антигравитация, как воздействие, обратное гравитации должна по итогам действия поглощать материю (энергию) и переводить её в расстояние.

Любопытно, не правда ли? Уже этих двух неспешных фактов достаточно, чтобы всерьёз попытаться понять природу гравитации.

Ближе к телу.

Как я указала в предыдущем посте, попытки квантования физических полей были очень даже обоснованы: успех в этой области означал бы подтверждение той математики, которая уже давно работает на макроуровне. Если электрон – не точка, то он не должен иметь бесконечную массу (как и протон или другие частицы).

Гравитон, как частица пока что виртуальная (ещё не обнаружен), по результатам квантования тоже мог получить объяснение своей природы и, как следствие, раскрыть механику гравитации. В связи с этим большей частью исследование гравитации и попытки её квантования велись не как-то отдельно, а именно в рамках разработки общих теорий.

То есть таких теорий, которые бы смогли объяснить вообще все поля, не только гравитационное.

Теория относительности в этом плане облажалась. Не то, чтобы она не смогла представить гравитационное поле, наоборот, подход был использован революционный. Однако в некоторых математических выражениях (а мы помним, что ОТО/СТО это прежде всего мат.

модель) появлялись значения, которые просто не могли иметь физического смысла. Например, активно используемое понятие кривизны пространства-времени. Согласно расчётам эта самая кривизна при таком явлении как сингулярность превращалась в бесконечность, что, как бы, напрягало.

Действительно, если рассматривать кривизну как меру ускорения, приобретаемого телом в точке пространства, то бесконечная кривизна означает бесконечное ускорение или бесконечную приобретаемую скорость за любое сколь угодно малое время. Т.е.

даже за так называемое время Планка (минимальный масштаб времени, который вообще имеет физический смысл) тело должно было получить скорость выше скорости света. Что как бы намекает на внутреннюю несогласованность.

Квантовая теория поля (есть такая, только я про неё не рассказывала) в совокупности со Стандартной Моделью частиц не смогла справиться с гравитацией из-за предсказанного спина гравитона – внутренней характеристики, которая есть у каждой частицы.

Все известные частицы имеют спин, кратный 0,5: -1,5; -1; -0,5; 0; 0,5; 1; 1,5. При построении квантовой теории поля этот факт позволил использовать хитрозадый приём под названием «перенормировка», устраняющий бесконечности в важных мат. уравнениях.

Гравитон перенормировке не поддавался из-за спина, равного 2. Пиздец Фейл.

Теория струн и М-теория в этом плане справились на ура, если считать успехом следующее определение: «мы всегда можем найти хреналион вариантов мат.

моделей, верно реализующих всю физику конкретно Вашей вселенной, только матан наш слабенький и мы не можем их конкретно отписать». Т.е.

вроде как бы и вин, но писец подкрался фейл уже с другой стороны: приёмов математики не хватает! Для понимания ситуации, попробуйте взять кратный интеграл хотя бы по двум измерениям.

И это у него ещё есть практический смысл! А теперь доведите количество измерений до 9, поставьте в него функцию девятого порядка (восемь типов производных) и рискните записать на бумаге вывод итога интегрирования. Подсказка: в очень хорошем случае это займёт 100-200 страниц убористых формул, несколько лет жизни и тонну-другую отборной травы.

Итак, сложность подхода М-теории стала некоторым препятствием для её активной разработки, но в то же время стимулировала альтернативные пути. ПКГ как раз является одной из таких альтернативщиков.

В чём общий смысл: пространство квантуется. Есть минимальные объёмы, меньше которых уже ничего нет. Тут ничего нового, ибо мы за этим и шли. ПКГ, конечно же, имеет собственный подход, но в чём-то он весьма похож на соседей.

Мы берём минимальный объём и рассматриваем его как вершину математического графа (нет, не его превосходительства, гуглите про мат. графы сами).

Если представить всё пространство состоящим из вершин этого графа, то возможные пути между вершинами – рёбра графа (господа патологоанатомы, хватит ржать) – будут возможными направлениями перехода из одной минимальной области в другую.

Вы не можете гулять внутри одной дискретной области, ибо в крайнем случае займёте её всю. Не меньше. Вы не можете перейти в другую область иначе, как по разрешённому пути – ребру графа. Конкретные пути для переходов могут меняться во времени (и меняются), вершины могут совмещаться (и становиться одной) или разделяться.

При таком подходе любая частица может быть описана как некая область графа с определёнными параметрами (геометрическим видом), а отдельные свойства частиц, например, заряд электрона, будут топографическими сущностями (представьте на карте внутренность МКАД).

Движение частиц будет описываться дискретным цепочечным перемещением характерной области в определённом направлении и с определёнными параметрами. Сами вершины графа при этом могут не перемещаться, а лишь «переключать» свойства, образуя как бы бегущую по цепи (пенке) область или волну.

В этом плане ПКГ очень похожа на теорию струн, которая утверждала нечто подобное (частицы – перенос энергии по струне).

В чём смысл сакральный и почему именно петлевая. Дело в том, что изобретатели теории очень серьёзно подошли к одной из главных проблем всех указанных выше теорий: проблеме фона. В любой теории фон пространства подразумевался сам собой и активно использовался.

Привычные x/y/z как координатные оси никуда не выкидывались, подразумевая, что если даже пространство состоит из квантов, эти самые кванты всё равно измеряются по ним, по осям. Итоговые выражения приходилось строить всё-таки с привязками, которые были бы трансформируемы в привычные координаты.

Авторы ПКГ решили сделать ход конём. Кое-кто посмотрел на уравнения Максвелла и не увидел в них координат пространства. Вместо этого в самих уравнениях используются координаты, «проложенные» в измерениях самого поля (полей).

Если взять электрическое поле и нарисовать его силовые линии, то переходя от одной линии к другой, мы получим «измерение», привязанное к самому электрическому полю, а не к пространственным измерениям. Действительно, уравнения электродинамики выглядят хорошо, просто, стройно и лаконично без привязки к x/y/z.

Мы можем записать уравнение электрического поля с нулевой энергией как уравнение петли, в которой силовая линия замкнута сама на себя.

Прорыв ПКГ относительно сего момента был в том, что точно такими же уравнениями петель можно было записать не только все известные поля, но и само пространство. Как ещё одно физическое поле. Без привязки к декартовой или иной системе координат.

Понимаете, да? Минимальные области пространства – вершины графа в теории – не абы непонятно чем ограниченные объёмы, а вполне себе математически описываемые многомерные «петельки» конкретного физического поля, то есть носителя новой формы «материи» — пространственно-временной.

Это не слабо корреллирует с первой частью поста про энергию пространства.

Вот тут я вынуждена сказать «Стоп».

Уважаемые, поймите правильно, ПКГ – теория очень молодая, а изложенные тут выводы появились каких-то десять лет назад. Проверки и конкретизации идут полным ходом, несогласованностей с теорией относительности и стандартной моделью так же хватает, работы ещё навалом.

Например, один из выводов говорит о том, что скорость света должна зависеть от энергии самого света: гамма-кванты прилетают быстрее. Зависимость не сильная, проявляется на расстояниях в миллиарды световых лет, результаты соответствующего эксперимента мне пока не известны.

Тем не менее, побед у теории много, в том числе устранение сингулярности как явления (внутри чёрных дыр нет сингулярности, в момент Большого Взрыва – тоже не было).

Теперь пара слов о практической стороне.

Подавляющая часть человеков считает занятие физикой не только заумным времяпрепровождением, но и мало-мало бесполезным: денег с него не получить, новых плюшек не видать, а когда будут – ещё бабушка надвое сказала.

В чём-то, конечно, это правильно, благо подобные исследования не дают прямой прибыли сразу, а иногда и вообще. Однако, каждое новое открытие в итоге влияет на нашу жизнь весьма серьёзным образом.

Например, квантовый фотоэффект. Нобелевку по нему дали в 1923, спустя 84 года после первого наблюдения.

А давно ли появились белые и синие светодиоды, вспомните? И это касается явления, по сути своей не такого уж сложного.

Что касается теорий гравитации или общих теорий всего, они могут дать представления о подходах к реализации таких «фантастических» проектов как:

Сверхсветовой двигатель. Читаем про кротовые норы, пузырь Алькубьерре, криптографическую связь на основе квантово-связанных частиц и прочие радости.

Антиграв. Тут тоже без пояснений, благо все понимают, что сие есть.

Вечный преобразователь а-ля «вечный двигатель». Получать энергию/вещество из пространства как такового – штука заманчивая.

Гиперсветовой двигатель. Позволит дойти до скоростей, которые за приемлемые сроки выведут нас за пределы Ланиакеи. Реализуется на основе эффектов, привязанных к ландшафту М-теории и по сути является переходным между просто сверхсветовым и гиперпространственным двигателем.

Гиперпространственный двигатель – в отличие от предыдущего позволяет так же перемещаться между вселенными.

Другие забавные плюшки.

Верится слабо, а большей частью не верится, однако стоит учесть, что вера в данном случае не применима к науке.

В качестве бонуса на закуску от девятихвостой: на реализацию первого сверхсветового двигателя человечеству потребуется не более 20 лет при условии, что оно будет им заниматься (а не фигнёй страдать каждый по отдельности).

Источник: https://pikabu.ru/story/kvantovaya_petlevaya_gravitatsiya_teoriya_yi_ne_o_gravitatsii_6283595

Теория петлевой квантовой гравитации идет на помощь современным представлениям о физическом мире

Петлевая квантовая гравитация

В современной физике есть две теории, невероятно точно описывающие крупномасштабные явления и то, что происходит в микромире: Общая теория относительности и Стандартная модель квантовой механики соответственно.

Но насколько бы точной и удивительной каждая из этих двух теорий ни была, они не очень хорошо сотрудничают друг с другом. Сам Альберт Эйнштейн – автор Общей теории относительности – до конца жизни был занят работой над теорией, которая объединила бы квантовую механику и гравитацию.

Как известно, у него ничего не вышло.

Многие современные физики-теоретики – от Шона Кэрролла до Брайана Грина – считают, что разработка тестируемой, фальсифицируемой и доказуемой теории квантовой гравитации откроет новые горизонты для науки и поможет ответить на множество вопросов: например, что происходит за горизонтом событий черных дыр?

Ли Смолин / © Karol Jarolchowski/Polityka

Воспользуйтесь нашими услугами

Среди множества подходов к квантовой гравитации самым успешными направлениями считаются теория струн и петлевая квантовая гравитация. Если о теории струн знают и о ней говорят, то ее главный конкурент — петлевая квантовая гравитация — пока не получил такой широкой огласки.

Петлевая квантовая гравитация представляет собой теорию, пытающуюся выразить современную теорию гравитации (то есть Общую теорию относительности, ОТО) в квантованном формате.

Подход этой теории заключается в восприятии пространства-времени как чего-то разбитого на дискретные части.

Немало ученых рассматривают петлевую квантовую гравитацию как самую органично разработанную, не считая теории струн.

Как появилась теория петлевой квантовой гравитации

Принято считать, что петлевая квантовая гравитация берет начало в 1986 году, когда Абэй Аштекар разработал квантовую формулировку уравнений поля Общей теории относительности. В 1988-м физики Ли Смолин и Карло Ровелли расширили этот подход — и в 1990 году показали, что при помощи него гравитация квантуется и это можно увидеть при помощи спиновых сетей Роджера Пенроуза.

Карло Ровелли на лекции в Риме / © Marco Tambara/Wikipedia

Вкратце: подход к петлевой квантовой гравитации через спиновую сеть показывает пространство-время как набор частей, соединенных друг с другом. Это можно представить в виде точек (или узлов), представляющих части пространства-времени, соединенные линиями.

Иначе говоря, пространство-время можно рассматривать как сеть квантовых узлов. Гладкая структура пространства-времени, описываемая ОТО, становится такой, когда вы «отдаляетесь» от квантовых масштабов до достаточно крупных.

К чему приводит петлевая квантовая гравитация

Как и со всей теоретической физикой, исследующей этот вопрос, физика и математика на этом уровне невероятно сложны. Относительно ценности петлевой квантовой гравитации ведется немало споров, особенно если сравнивать ее с другими подходами — вроде той же теории струн.

Петлевая квантовая гравитация достигла успеха в следующем:

  1. Квантование трехмерной пространственной геометрии ОТО;
  2. Возможность вычислить энтропию черных дыр;
  3. Предсказание Большого отскока в момент Большого взрыва вместо бесконечной сингулярности.

Однако пока что это успехи в области математической физики, так как экспериментально они еще не были подтверждены. А в случае с Большим отскоком — об экспериментальных подтверждениях не может быть и речи.

Предсказание, связанное с энтропией черных дыр, считается самым большим достижением теории. Считается, что петлевая квантовая гравитация предоставляет точный способ описания квантовых состояний черной дыры, а также совпадает с предсказаниями об энтропии черных дыр, сделанными Стивеном Хокингом и другими физиками в 1970-х.

Абэй Аштекар во время лекции / © University of Pittsburg

Преимущества петлевой квантовой гравитации

В пользу петлевой квантовой гравитации есть серьезный аргумент. Дело в том, что ее сторонники рассматривают ее как конечную теорию. Другими словами, сама теория петлевой квантовой гравитации не допускает бесконечностей. Один из главных ее исследователей Ли Смолин в своей книге «Неприятности с физикой» описывает конечность теории тремя пунктами:

  • Области и объемы в петлевой квантовой гравитации — всегда конечные дискретные единицы;
  • В модели петлевой квантовой гравитации Бэрретта — Крейна (пространство-время как квантовая пена) вероятности развития квантовой гравитации в разные истории всегда конечны;
  • Включение гравитации в теорию петлевой квантовой гравитации с теорией вещества — вроде Стандартной модели — не содержит бесконечных выражений. Если гравитацию исключить, придется потрудиться, чтобы избежать их.

Проблемы петлевой квантовой гравитации

Многие недостатки петлевой квантовой гравитации — те же, что и у теории струн. Их предсказания чаще всего связаны с явлениями, которые пока что нельзя протестировать (хотя по части петлевой квантовой гравитации возможность испытать ее экспериментально представляется несколько более вероятной, чем в случае с теорией струн).

Кроме того, не понятно, можно ли утверждать, что петлевая квантовая гравитация более фальсифицируема, чем теория струн. Например, открытие суперсимметрии или дополнительных измерений не станет опровержением петлевой квантовой гравитации, как и их отсутствие не докажет ошибочность теории струн.

Кванты пространства в представлении Карло Ровелли / © Carlo Rovelli/Class.Quant.Grav. 28 (2011)

Самая большая проблема петлевой квантовой гравитации заключается в том, что этой теории еще предстоит показать, каким образом можно взять квантованное пространство и извлечь из него гладкое пространство-время. К тому же некоторые критики теории считают сам способ добавления времени в спиновую сеть надуманным.

Квантовая теория пространства-времени в петлевой квантовой гравитации, по сути, — квантовая теория пространства. Спиновая сеть, описанная теорией, не способна включить в себя время.

Некоторые ученые, занимающиеся этой теорией, вроде того же Ли Смолина, считают, что время в итоге станет необходимым и фундаментальным компонентом теории. В то же время Карло Ровелли уверен, что она в итоге покажет, что времени как такового не существует и что, по сути, это возникающий феномен.

Остается запастись терпением и ждать

Некоторые физики-теоретики, включая Брайана Грина и Ли Смолина, высказывали предположение о том, что петлевая квантовая гравитация и теория струн окажутся двумя способами описания одной и той же фундаментальной физической структуры.

Ученые надеются, что исследование двух этих областей в итоге поможет разработать более полную фундаментальную теорию, описывающую основополагающую квантовую теорию, которая, в свою очередь, приведет к успешной единой теории поля, способной полностью примирить ОТО со Стандартной моделью квантовой механики.

Источник: http://www.nanonewsnet.ru/

Воспользуйтесь нашими услугами

Источник: http://integral-russia.ru/2019/02/15/teoriya-petlevoj-kvantovoj-gravitatsii-idet-na-pomoshh-sovremennym-predstavleniyam-o-fizicheskom-mire/

Booksm
Добавить комментарий