Pašreizējie centieni (stīgu teorija, cilpu kvantu gravitācija) saskaņot vispārīgo relativitāti ar kvantu mehāniku
Mūsdienu fizikas nepabeigtais darbs
Divi 20. gadsimta fizikas balsti – Vispārīgā relativitāte (BR) un Kvantu mehānika (KM) – katrs ļoti veiksmīgi apraksta atsevišķas jomas:
- BR traktē gravitāciju kā telpas-laika izliekumu, precīzi izskaidrojot planētu orbītas, melnos caurumus, gravitācijas lēcu efektu, kosmisko paplašināšanos.
- Kvantu teorija (ieskaitot Standarta modeli daļiņu fizikā) apraksta elektromagnētisko, vājo un stipro mijiedarbību, balstoties uz kvantu lauku teoriju.
Tomēr šie divi pamati balstās uz pamatīgi atšķirīgiem principiem. BR – klasiskā, gluda kontinuuma teorija, KM – varbūtības diskretu stāvokļu un operatoru formalizācija. Tos apvienot vienā „kvantu gravitācijas“ teorijā joprojām ir neizpildīts mērķis, kas, kā uzskata, varētu izskaidrot melno caurumu singulāritāti, Lielā sprādziena sākumu vai jaunus parādības Planka mērogā (~10-35 m garums, ~1019 GeV enerģija). Tas būtu galīgais fizikas pamats, apvienojot „lielo“ (kosmosu) ar „mazo“ (subatomu pasauli) vienotā shēmā.
Lai gan daļēji ir panākumi pusklasiskās pieejās (piemēram, Hokinga starojums, kvantu lauku teorija izliektā telpā- laikā), mums vēl nav pilnīgi konsekventas vienotas teorijas – "visu teorijas". Turpmāk aplūkojam svarīgākās kandidātu virzienus: stīgu teoriju un cilpveida kvantu gravitāciju, kā arī citus mēģinājumus apvienot gravitāciju un kvantu jomas.
2. Kvantu gravitācijas konceptuālais izaicinājums
2.1 Kur satiekas klasika un kvants
Vispārīgā relativitāte uztver telpu-laiku kā gludu daudzdimensiju struktūru, kuras izliekumu nosaka matērijas un enerģijas sadalījums. Koordinātas ir nepārtrauktas, ģeometrija dinamiska, bet klasiska. Kvantu mehānika prasa diskretu stāvokļu telpu, operatoru algebru un nenoteiktības principu. Mēģinot kvantēt metriku vai apieties ar telpu-laiku kā kvantu lauku, rodas lieli divergenti un jautājums, kā "graudainais" telpa-laiks pastāvētu Planka garuma mērogā.
2.2 Planka mērogs
Pie Planka enerģijas (~1019 GeV) tiek sagaidīts, ka gravitācijas kvantu efekti kļūst nozīmīgi. Singularitātes var izzust vai pārvērsties kvantu ģeometrijā, un klasiskā BR vairs nav spēkā. Aprakstot melno caurumu iekšpusi, Lielā sprādziena sākuma mirkļus vai noteiktu kosmisko stīgu savienojumus, klasiskās metodes neizdodas. Parastās QFT paplašināšanas ap fiksētu fonu arī vairs nedarbojas.
2.3 Kāpēc nepieciešama vienota teorija?
Vienotība tiek meklēta gan konceptuāli, gan praktiski. SM + BR nav pilnīga, ignorē:
- Melno caurumu informācijas paradokss (vienveidība pret horizonta termiskumu).
- Kosmoloģiskās konstantas problēma (vakuma enerģijas neatbilstība novērotajai ļoti mazajai Λ).
- Iespējamie jauni fenomeni (piemēram, tārpu caurumi, kvantu putošana).
Tātad pilnīga kvantu gravitācija varētu atklāt īso attālumu telpas-laika struktūru, pārveidot kosmiskās problēmas un apvienot visas fundamentālās mijiedarbības vienā principā.
3. Stīgu teorija: vienojošās spēka vibrējošo stīgu pamatos
3.1 Stīgu teorijas pamati
Stīgu teorija piedāvā, ka 0D punktveida daļiņas patiesībā ir 1D stīgas – smalki vibrējoši diegi, kuru vibrācijas atbilst dažādām daļiņām. Sākotnēji tā tika izstrādāta hadronu skaidrošanai, bet 80. gados tika atzīta par iespējamu kvantu gravitācijas kandidātu, jo:
- Vibrācijas rada dažādus masas un spina režīmus, tostarp masu nesaturošu spin-2 gravitonu.
- Papildu dimensijas: parasti prasa 10 vai 11 dimensiju (M-teorijā), kuras jāsašaurina līdz 4D.
- Supersimetrija: bieži nepieciešama konsekvences dēļ, saista bozonus un fermionus.
Stīgu mijiedarbības augstas enerģijas jomā paliek galīgas, jo stīgas „izkliedē“ punktveida sinerģijas divergenci, tādējādi sola ultravioletu pabeigtību gravitācijai. Gravitons dabiski rodas, apvienojot mērījumu un gravitāciju Planka mērogā.
3.2 Branes un M-teorija
Turpmāka attīstība parādīja D-branes – membrānas un augstākus p-branes. Iepriekš zināmās stīgu teorijas (I, IIA, IIB, heterotiskās) tagad tiek uzskatītas par lielākas M-teorijas projekcijām 11D telpas-laikā. Branes var nēsāt mērījumu laukus, veidojot „tilpuma un branes pasaules“ scenārijus vai skaidrojot, kā 4D fizika tiek iegūta no augstākām dimensijām.
3.3 Izaicinājumi: „landšafts“, prognozēšana, fenomenoloģija
Stīgu teorijas (landšafts) ar milzīgu dažādu vakuuma kompaktifikāciju daudzumu (varbūt 10500 un vairāk) apgrūtina unikālu prognozēšanu. Strādā pie plūstošo kompaktifikāciju un Standarta modeļa iekļaušanas. Eksperimentēt ir grūti, iespējamas norādes, meklējot kosmiskās stīgas, supersimetriju kolideros vai inflācijas korekcijās. Tomēr pagaidām nav skaidru novērojumu apstiprinājumu pašas stīgu teorijas pareizībai.
4. Lūmenu kvantu gravitācija (KKG): telpas-laika virsotņu struktūra
4.1 Pamatideja
Lūmenu kvantu gravitācija (KKG) cenšas kvantēt pašas BR ģeometriju bez papildu fona struktūrām vai dimensijām. Tā balstās uz „kanonisko“ metodi, pārrakstot BR Aštekara mainīgos (savienojumus un triādes), un pēc tam uzliekot kvantu ierobežojumus. Rezultāts ir diskrētas telpas kvantu vienības (angļu val. spin networks), kas apraksta laukumu un tilpumu operatorus ar diskrētiem spektriem. Teorija runā par „graudainu“ struktūru Planka mērogā, iespējams, novēršot singulāritātes (piemēram, Lielo atlēkumu).
4.2 Spin putu (spin foams) teorija
Spin foam ir KKG turpinājums kovarianta formalismam, kas parāda, kā spin tīkli attīstās laikā, t.i., tiek savienoti ar laika integrālu attēlu. Uzsvērta fona neatkarība, nezaudējot difeomorfisma invarianci.
4.3 Stāvoklis un fenomenoloģija
„Lūmenu kvantu kosmoloģija“ (LQC) pielieto KKG idejas vienkāršām simetriskām Visumam, prognozējot Lielo atlēkumu singulāritātes vietā. Tomēr KKG saskaņošana ar SM laukiem vai prognožu precīza testēšana ir sarežģīta. Daži paredz KMF, gamma zibspuldžu vai polarizācijas parakstus, bet tas vēl nav apstiprināts. KKG sarežģītība un nepilnīgais visuma apjoms pagaidām traucē viennozīmīgiem eksperimentāliem mēģinājumiem.
5. Citi ceļi kvantu gravitācijai
5.1 Asimptotiski droša gravitācija
Weinberga ierosinātā ideja, ka gravitācija var būt netriviāli renormalizējama, ja augstas enerģijas jomā pastāv kāds stacionārs (fiksēts) punkts. Šī hipotēze joprojām tiek pētīta, prasa detalizētus RG plūsmas aprēķinus 4D.
5.2 Cēloņsakarīgā dinamiskā triangulācija
CDT cenšas veidot telp-laiku no diskretām vienībām (simpleksiem) ar ievadītu cēloņsakarību, summējot visas triangulācijas. Datoru modeļi rāda, ka var rasties 4D ģeometrija, bet SM fizikas prognozēšana vai vielas reālistiska integrācija joprojām ir grūta.
5.3 Parādās gravitācija / hologrāfiskās attiecības
Daži uzskata gravitāciju par parādās, kas rodas no kvantu savienojuma zemākā dimensijā "robežās" (AdS/CFT ekvivalents). Ja visa 3+1D telp-laiks "izgūts" no malas, kvantgravācija varētu būt tikai tas. Tomēr reālās pasaules (SM, Visuma paplašināšanās) atbilstoša iekļaušana joprojām nav pabeigta.
6. Eksperimentālās un novērojumu iespējas
6.1 Planka mēroga eksperimenti?
Tieši pētījot ~1019 GeV enerģijas nākotnes paātrinātājos šķiet nereālas. Tomēr kosmiskie vai astrofiziskie fenomeni var sniegt norādes:
- Primārās gravitācijas viļņi no inflācijas varētu liecināt par Planka laikmeta iezīmēm.
- Melno caurumu iztvaikošana vai kvantu efekti netālu no horizonta varētu dot ievērojamas gravitācijas viļņu riņķošanas vai kosmiskā starojuma novirzes.
- Ļoti precīzi Lorenca invariances testi var signalizēt fotonu dispersiju, kas liecina par diskretu telp-laiku.
6.2 Kosmoloģiskie novērojumi
Smalkas KMF vai lielo struktūru neatbilstības varētu nozīmēt kvantgravācijas labojumus. Tāpat "Lielā atlēciena" modeļi, kas radušies no LQC, var atstāt pēdas sākotnējā jaudas spektrā. Tas pagaidām ir diezgan teorētisks mērķis, gaidot ļoti precīzus nākotnes instrumentus.
6.3 Lieli interferometri?
Kosmiskais LISA vai uzlabotie zemes detektori var ļaut īpaši precīzi novērot melno caurumu riņķošanu. Ja kvantgravācijas labojumi maz maina klasisko Kerra ģeometrijas mierīgumu, tad varbūt redzēsim signāla novirzes. Bet nav garantiju, ka Planka mēroga efekti būs tik izteikti, lai tos atklātu ar pašreizējām vai tuvākās nākotnes metodēm.
7. Filosofiskie un konceptuālie aspekti
7.1 Vienotība pret daļējām teorijām
Daudzi gaida vienu "visu teoriju", kas apvieno visas mijiedarbības. Tomēr daži šaubās, vai tiešām ir nepieciešams apvienot kvantu lauku un gravitāciju vienā formulā, izņemot ekstrēmos apstākļos. Tomēr vienotība šķiet vēsturiska likumsakarība (elektromagnētisms, elektrovāja mijiedarbība utt.). Šis mērķis ir gan konceptuāls, gan praktisks izaicinājums.
7.2 Parādās realitātes problēma
Kvantgravācijas teorija var liecināt, ka telp-laiks ir parādās fenomens, kas rodas no dziļākām kvantu struktūrām – piemēram, spin networks KKG vai stīgu tīkli 10D telpā. Tas izaicina klasisko daudzdimensiju daudzumu jēdzienu. „Robežas pret apjomu“ dualitāte (AdS/CFT) parāda, kā telpa var "izvērsties" no savienojamības struktūrām. Filosofiski tas atgādina pašu kvantu mehāniku, kur sabrūk klasiskā deterministiskā realitātes izpratne.
7.3 Nākotnes perspektīvas
Lai gan stīgu teorija, cilpveida kvantgravītācija un emergentās gravitācijas idejas ļoti atšķiras, tās visas cenšas labot klasiskās un kvantu nesaderības problēmu. Varbūt kopīgie mērķi, piemēram, melno caurumu entropijas izpratne vai inflācijas pamatojums, palīdzēs tuvināt šīs pieejas vai ļaus tām viena otru papildināt. Kad sagaidīsim galīgo kvantgravītācijas teoriju – nav skaidrs, bet šīs meklēšanas ir viena no dzinējspēkiem teorētiskajā fizikā.
8. Secinājums
Vispārējās relativitātes un kvantu mehānikas saskaņošana paliek lielākais neizpildītais fundamentālās fizikas uzdevums. No vienas puses, stīgu teorija paredz ģeometrisku spēku apvienošanu, ar vibrējošām stīgām augstākās dimensijās dabiski nodrošinot gravitonu un runājot par iespējamu ultravioletu pabeigtību, bet saskaras ar "ainavas" problēmu un grūti uztveramām prognozēm. No otras puses, cilpveida kvantgravītācija cenšas tieši uzlikt kvantu tīklu pašam telpas laikam, bez "papildu" dimensijām, taču tai ir grūti integrēt Standarta modeli un parādīt konkrētus spilgtus zemas enerģijas efektus.
Citi ceļi (asimptotiski droša gravitācija, cēloņsakarīgā dinamiskā triangulācija, hologrāfiskie modeļi) katrs savā veidā risina problēmu. Novērojumi, piemēram, kvantgravītācijas efektu meklējumi melno caurumu saplūšanās, inflācijas signālos vai kosmisko neitrīno anomālajā uzvedībā, var kļūt par vadlīnijām. Taču neviens ceļš vēl nav devis nepārprotamus, skaidrus eksperimentālus pierādījumus.
Tomēr matemātisko ideju, konceptuālo spriedumu un strauji progresējošas eksperimentālas darbības (no gravitācijas viļņiem līdz moderniem teleskopiem) saskaņa galu galā var nest to "svēto Grālu": teoriju, kas bez trūkumiem apraksta kvantu subatomāro mijiedarbību un telpas-laika izliekumu. Pašlaik ceļš uz šo vienoto teoriju liecina par cilvēces ambīcijām pilnībā izprast Visumu – ambīcijām, kas vadīja fiziku no Ņūtona līdz Einšteinam un tagad tālāk uz kvantu kosmosa dziļumiem.
Saites un turpmāka lasīšana
- Rovelli, C. (2004). Kvantgravītācija. Kembridžas universitātes izdevniecība.
- Becker, K., Becker, M., & Schwarz, J. H. (2007). Stīgu teorija un M-teorija: mūsdienu ievads. Kembridžas universitātes izdevniecība.
- Polchinski, J. (1998). Stīgu teorija, 1. un 2. sējums. Kembridžas universitātes izdevniecība.
- Thiemann, T. (2007). Mūsdienu kanoniskā kvantu vispārējā relativitāte. Kembridžas universitātes izdevniecība.
- Green, M. B., Schwarz, J. H., & Witten, E. (1987). Superstīgu teorija, 1. un 2. sējums. Kembridžas universitātes izdevniecība.
- Maldacena, J. (1999). “Superkonformālo lauku teoriju un supergravitācijas lielā-N robeža.” Starptautiskais teorētiskās fizikas žurnāls, 38, 1113–1133.