SmolinNeprijatnSFizy - Страница 52
1. Квантовата геометрия е крайна, така че площите и обемите се изразяват в дискретни единици.
2. Когато изчислявате вероятностите квантовата геометрия да се развие в посока на различни истории, те винаги изглеждат крайни (поне в определена формулировка на теорията, наречена модел
3. Когато една теория е прикрепена към основна теория, като стандартния модел на физиката на елементарните частици, безкрайностите, които първоначално възникват, се превеждат в крайни количества: тоест, без гравитация, трябва да следвате специална процедура, за да изолирате безкрайните изрази и да ги направите ненаблюдаеми; с гравитацията просто няма безкрайни изрази.
Трябва да се подчертае, че няма несигурност, свързана с предварително зададените настройки. Основните резултати от примковата квантова гравитация се осигуряват от строги теореми.
Най-голямото предизвикателство пред кръговата квантова гравитация от самото начало беше да се обясни как възниква класическата.През последните няколко години беше постигнат важен напредък в
този проблем се дължи отчасти на изобретяването на нови приблизителни процедури. Те показаха, че теорията има квантови състояния, описващи вселени, където геометрията е, до добро приближение, класическа. Важна стъпка беше предприета преди година от Карло Ровели от Центъра за теоретична физика в Марсилия и неговите колеги, те откриха строго потвърждение, че примковата квантова гравитация предсказва, че две маси трябва да се привличат една друга точно както гласи законът на Нютон. [99] Тези резултати също показват, че при ниски енергии теорията има гравитони, така че примковата квантова гравитация всъщност е теорияземно притегляне.
Днес се полагат много усилия за прилагане на примковата квантова гравитация към явления от реалния свят. Има точно описание на хоризонта на черна дупка, в рамките на който се получава правилната ентропия. Тези резултати са в съответствие със старите прогнози на Бекенщайн и Хокинг, че черните дупки имат ентропия и температура (вижте Глава 6). Както писах, една от горещите теми сред завършилите студенти и докторанти е прогнозирането на модификации на резултата на Хокинг за термодинамиката на черната дупка, което, когато бъде измерено в някое бъдещо физическо изследване на черна дупка, може да потвърди
или фалшифицирайте примковата квантова гравитация.
Примковата квантова гравитация също е основата за модели, които позволяват изследването на силно променящи се във времето геометрии вътре в черни дупки. Няколко изчисления предоставят доказателства, че сингулярностите в черните дупки се премахват. По този начин времето може да продължи отвъд точката, в която класическият GR прогнозира, че трябва да свърши. Къде се случва? Това изглежда се случва вътре в новосъздадените региони Сингулярността е заменена от това, което наричаме отскачане на пространство-време. Точно преди отскока материята вътре в черната дупка се свива. Веднага след отскока той се разширява, но в нов регион, който не е съществувал преди. Това е много задоволителен резултат, тъй като потвърждава по-ранните аргументи на Bruce DeWitt и John Archibald Wheeler. Същата техника е използвана за изследване на случващото се в много ранната вселена. За пореден път теоретиците намериха потвърждение, че сингулярността се елиминира, което означава, че Вселената е съществувала преди Големия взрив.
Елиминирането на сингулярността в черните дупки осигурява естествен отговоротносно информационния парадокс на Хокинг за чернокожите
дупки. Както беше отбелязано в глава 6, информацията не се губи; тя се премества в нов регион
Тестът за това какво ни дава примковата квантова гравитация за много ранната вселена се крие в способността да изчисляваме прогнози за реални наблюдения. Двама постдокторанти в Frontier Institute, Щефан Хофман и Оливър Винклер, наскоро успяха да извлекат точни прогнози за ефектите на квантовата гравитация, които могат да бъдат открити при бъдещи наблюдения на космическия микровълнов фон. [100]
Теоретиците също са заети с опитите да предскажат какво можем да видим в експериментите на Auger и GLAST, като и двата ще покажат дали SRT е нарушено при енергиите на Планк. Едно от големите предимства на подходите е способността им да правят прогнози за такива експерименти. Запазва ли се или е нарушен принципът на относителността на инерциалните отправни системи? Може ли да се променя като в теориите на DSR? Както подчертах, нито една теория не може да направи реални прогнози за тези експерименти, тъй като отговорът на въпроса вече е даден от избора на фона. Теорията на струните, по-специално, предполага, че относителността на инерциалните системи
остава верен в оригиналната форма, дадена от Айнщайн в SRT.
Само подходи могат да направят прогноза за съдбата на принципите на SRT, тъй като свойствата на класическото пространство-време възникват като решение на динамичен проблем.
Примковата квантова гравитация обещава да може да прави уверени прогнози. В модели, където пространството има само две измерения, това вече е направено: DSR се предвижда да бъде правилен. Има индикации, че същото предсказание ще важи и за нашия триизмерен свят, но до ден днешен няма убедителни доказателства за това.
каккакво ще кажете за други големи проблеми като обединяването на частиците и силите? Доскоро смятахме, че примковата квантова гравитация няма какво да каже за проблеми, различни от квантовата гравитация. Можем да въведем материята в теорията и добрите резултати няма да се променят. Ако искахме, бихме могли да въведем целия стандартен модел на физиката на частиците — или всеки друг модел на физиката на частиците, който искахме да изучаваме — но не смятахме, че примковата квантова гравитация може да допринесе много за проблема с обединението. Съвсем наскоро разбрахме, че сме сбъркали
този повод. Примковата квантова гравитация вече съдържа елементарни частици и последните резултати показват, че това е точно правилната физика на частиците: стандартният модел.
Преди година Фотини Маркопулу предложи нов начин за подход към проблема как геометрията на пространството може да възникне от по-фундаментална теория. Маркопулу е млада физичка по квантовата гравитация, която най-често ме изненадва с невероятни идеи, които се оказват верни и това беше една от най-добрите й идеи. Вместо директно да пита дали геометрията на кванта може да изглежда като класическа или не, тя предложи различен подход, основан на идентифицирането и изследването на движението на частиците в квантовата геометрия. Нейната идея беше, че частицата трябва да бъде някакъв вид възникващо възбуждане на квантовата геометрия, преминаващо през геометрията, подобно на вълна, която преминава през твърдо или течно тяло. Въпреки това, за да възпроизведем физиката, която познаваме, тези възникващи частици трябва да бъдат описани като чисто квантови частици, игнорирайки квантовата геометрия, през която те пътуват. [101]
Обикновено, когато една частица е във взаимодействие собкръжение, информация за нея
състояние се разсейва в околната среда - казваме, че настъпва декохерентност. Трудно е да се предотврати появата на тази декохерентност; това, между другото, е причината, поради която е трудно да се направи квантов компютър, чиято ефективност зависи от намирането на частици в чисто квантово състояние. Хората, които правят квантови компютри, имат идеи кога една квантова система ще остане в чисто състояние, дори когато е в контакт с околната среда. Докато работи с експерти в областта, Маркопулу осъзнава, че техните прозрения се отнасят за проблема как една квантова частица може да се появи от квантова.Тя забеляза, че за да извлечете прогнози от теориите за квантовата гравитация, можете да идентифицирате такава квантова частица и да покажете нейното движение, сякаш е в обикновеното пространство. В нейната аналогия средата е квантова, която, бидейки динамична, непрекъснато се променя. Квантовата частица трябва да се движи през него, сякаш е фиксиран, нединамичен фон.
Използвайки тези идеи, Маркопулу и нейните сътрудници успяха да покажат, че някои независими от фона теории за квантовата гравитация имат възникващи частици. Но какви са тези частици?
Съвпадат ли с наблюдаваното?
Отначало проблемът изглеждаше труден, тъй като квантовата геометрия, предсказана от кръговата квантова гравитация, е много сложна. Състоянията на частиците са свързани с графики, разтегнати в 3D пространство. Пространството е фон, но няма други свойства освен топологията си; цялата информация за размерите на геометрията - като дължини, площи и обеми - идва от графики. Но тъй като графиките са разпънати в пространството, теорията съдържа много допълнителна информация, която,изглежда не трябва да прави нищо с геометрията. Това се дължи на безкрайния брой начини, по които краищата на графиките могат да се заплитат, свързват и заплитат в 3D пространството.
Миналата пролет (2006 г.) случайно видях препринт от млад австралийски физик на елементарните частици на име Сънданс О. В него той представи проста тъкан от ленти, която улавя забележително добре структурата на преонните модели на физиката на елементарните частици, които обсъдих в глава 5. (Припомнете си, че тези модели постулират хипотетични частици, наречени преони, като основни съставки на протони, неутрони и други стандартни Моделни частици,
смятан за елементарен.) В неговия модел преонът има лента, а различните видове преони съответстват на ленти, усукани надясно, наляво или изобщо не. Трите ленти могат да се сплитат заедно, като различните начини за това съвпадат точно с различните частици на стандартния модел. [102]
Веднага щом прочетох статията, разбрах, че това е липсващата идея, тъй като всички тъкани, които изучавах, можеха да възникнат в примковата квантова гравитация. Това означава, че различните начини за сплитане и заплитане на ръбовете на графиките в квантовото пространство-време трябва да са различни видове елементарни частици. Така че кръговата квантова гравитация не е само квантова гравитация – тя вече съдържа физиката на елементарните частици. И ако успеем да намерим играчка, работеща на теория, това ще бъде правилната физика на елементарните частици. Попитах Маркопулу дали неговите тъкани може да са нейните кохерентни вълнения. Поканихме хората да ни сътрудничат и след няколко видяхме, че одобрението наистина работи във всички посоки до края. След като направихме някои умерени предположения, открихме,че преонният модел описва най-простите от тях
подобни на частици състояния в класа на теориите за квантовата гравитация. [103]
Този резултат повдигна много въпроси и отговорът на тях сега е основната ми цел. Твърде рано е да се каже дали това работи достатъчно добре, за да се направят недвусмислени прогнози за бъдещи експерименти в Големия адронен колайдер на CERN. Но едно е ясно. Теорията на струните вече не е единственият подход към квантовата гравитация, който обединява и елементарните частици. Резултатите на Markopoulou означават, че много независими от фона квантови теории за гравитацията съдържат елементарни частици като възникващи състояния. И тази теория не води до огромен пейзаж от възможни теории. По-скоро показва перспективи, водещи до недвусмислени прогнози, които или ще бъдат в съгласие с експеримента, или не. Най-важното е, че избягва необходимостта от преразглеждане на научния метод чрез позоваване на антропния принцип, както е защитен от Леонард Съскинд и други (вижте глава 11). Науката, действайки по стария начин, върви напред.
Ясно е, че има различни подходи към петте основни проблема на физиката. Полето на фундаменталната физика извън теорията на струните напредва бързо и в няколко посоки, включително, но не само, причинно-следствени