Спросите Итана №91: Необходима Ли Теория Струн Для Квантовой Гравитации?

Я думаю, что в теории струн произошло так много интересных вещей, что это не может быть ошибочным.
Люди этого плохо понимают, но я не верю, что существует какой-то космический заговор, создавший такую вещь, не имеющую ничего общего с реальным миром.
ЭДуард Уиттен

Нет сомнения, что с математической точки зрения у нас нет недостатка во всевозможных красивых и изящных математических аппаратах.
Но не все из них имеют смысл в физической вселенной.
На каждую блестящую идею, описывающую что-то, что мы можем увидеть и измерить, есть еще одна блестящая идея, которая пытается описать то же самое и оказывается неверной.
Обсуждая альтернативы теории струн на прошлой неделе, я наткнулся на следующее утверждение:
Надеюсь, у вас найдется время написать статью о квантовой гравитации.
Точнее, мне интересно, есть ли прогресс в этой области за последние 5-10 лет. С моей непрофессиональной точки зрения, похоже, что дело застопорилось, так как теория струн начала терять авторитет из-за проблем с ее проверкой и из-за наличия 10⁵⁰⁰ различные решения.
Это действительно правда?
Во-первых, существует большая разница между квантовой гравитацией, решением теории струн и другими альтернативами.
Начнем с нашей дорогой вселенной.
Есть общая теория относительности – наша теория гравитации.
Она постулирует, что вся система работает несколько умнее, чем простое «действие на расстоянии», которое придумал Ньютон, при котором все массы во всех местах Вселенной излучают силы, действующие друг на друга, обратно пропорциональные квадрату расстояния.
между ними.
Масса, как объяснил Эйнштейн с использованием принципа эквивалентности E = mc² в 1907 году существовала только одна форма энергии.
Эта энергия складывает саму ткань пространства-времени, изменяя путь, по которому движутся объекты, и изгибая то, что наблюдатель мог бы увидеть как декартову решетку.
Объекты не ускоряются невидимой силой, а просто движутся по траекториям, искривленным различными формами энергии, присутствующими во Вселенной.
Это гравитация.

С другой стороны, у нас есть квантовые законы природы.
«электромагнетизм, управляемый электрически заряженными частицами и их движением.
Их описывает носитель взаимодействий фотон, который выступает в роли посредника и благодаря которому возникает то явление, которое мы связываем с электричеством и магнетизмом.
Также существуют две ядерные силы — слабая, ответственная за радиоактивный распад, и сильная, которая удерживает ядра атомов вместе и вообще позволяет существовать протонам и нейтронам.
Расчеты этих сил производятся в плоском пространстве-времени — именно так каждый студент начинает изучать квантовую теорию поля.
Но при наличии искривленного пространства-времени, управляемого общей теорией относительности, все начинает вести себя неправильно.

«Ну что ж, давайте проведем наши квантовые расчеты на фоне искривленного пространства!» - предлагаете вы.
Это называется квазиклассической гравитацией и позволяет нам рассчитывать такие вещи, как излучение Хокинга.
Но даже тогда эти расчеты происходят только на горизонте событий черной дыры, а не там, где гравитация еще сильнее.
Как объяснила физик Сабина Хоссенфельдер , нам нужна квантовая теория гравитации в нескольких местах, все из которых относятся к физике гравитации на микроскопических расстояниях.

Например, что происходит в центре черной дыры? Сингулярность – но это не столько точка бесконечной плотности, сколько точка, в которой математика ОТО дает бессмысленные ответы для потенциалов и сил.
Что произойдет, например, если электрон пройдет через две щели одновременно?

Проходит ли гравитационное поле через обе щели? Через одного из них? В GR нет ответа на этот вопрос.
Как будто для таких и других подобных задач, связанных с «гладкой» общей теорией относительности, должна существовать квантовая теория гравитации.
Чтобы объяснить, что происходит на малых расстояниях при наличии источников гравитации или массы, нам нужна квантовая, дискретная, то есть теория гравитации, основанная на частицах.
Благодаря свойствам общей теории относительности мы уже кое-что знаем.

Известные квантовые силы передаются частицами, называемыми бозонами, или частицами с целым спином.
Фотон передает электромагнитное взаимодействие, бозоны W и Z передают слабое взаимодействие, а глюны передают сильное взаимодействие.
Все эти частицы имеют спин 1, то есть спин массивных частиц (W и Z) может принимать значения -1, 0 или +1, а спин безмассовых частиц (глюонов и фотонов) может принимать только -1 или +1. Бозон Хиггса является бозоном, хотя он и не передает взаимодействий и имеет спин 0. Наши знания о гравитации (ОТО — тензорная теория гравитации) говорят, что его должна передавать безмассовая частица со спином 2, т. е.
тот, чей спин может принимать значения -2 или +2.

То есть мы уже кое-что знаем о квантовой теории гравитации, еще до того, как ее сформулируем! Чем бы оно ни оказалось, оно должно соответствовать общей теории относительности на больших расстояниях — точно так же, как общая теория относительности должна выродиться в теорию гравитации Ньютона в случаях слабых полей.
Но как? Как можно количественно оценить гравитацию, чтобы теория была корректной при описании окружающего мира, совместимой с общей теорией относительности и ТКГ и, желательно, приводила к вычислимым предсказаниям таких явлений, которые можно наблюдать и измерять? Ведущим кандидатом, о котором вы слышали, является теория струн.

1) Теория струн.
Это интересный аппарат — он может включать в себя все поля и частицы, известные Стандартной модели, как фермионы, так и бозоны.
Она также включает десятимерную тензорно-скалярную теорию гравитации, где имеется 9 пространственных, одно временное измерение и скалярный параметр поля.
Удалив шесть измерений с помощью компактификации (не полностью описанный процесс) и отправив параметр ω, описывающий скалярное интегрирование, на бесконечность, мы получаем общую теорию относительности.
Но с ТС существует множество феноменологических проблем.
Например, он предсказывает появление множества новых частиц, включая все суперсимметричные, ни одна из которых не была найдена.
Он утверждает, что ему не нужны «свободные параметры», такие как Стандартная модель (массы частиц), но он заменяет эту проблему еще худшей.
Кент говорит о 10⁵⁰⁰ различные решения — и они относятся к вакуумным ожиданиям значений строковых полей, но не существует механизма, который позволил бы их установить.
Если вы хотите, чтобы TC работал, вы отбрасываете динамику и говорите: «Ну, это было антропно выбрано».
Но ST – далеко не единственный вариант.

2) Петлевая квантовая гравитация.
ПКГ вместо количественной оценки частиц предлагает рассмотреть вариант дискретного пространства.
Представьте себе простыню с шаром для боулинга посередине.
Только ткань эта не будет гладкой — настоящий лист на самом деле имеет количественную величину, он состоит из молекул, а те — из атомов, а те — из ядер и электронов.
Так же и с космосом.
Он может работать как ткань, но также может быть сделан из конечных объектов.
Может быть, он прошит и имеет петли — отсюда теория и получила свое название.
Сшейте петли, и вы получите сеть, представляющую квантовое состояние гравитационного поля.
В этой версии будет квантоваться не только материя, но и пространство.
Как перейти от этой идеи к реалистичным квантовым вычислениям — вопрос открытый, и его исследования, совершившие прорыв в 2007–2008 годах, до сих пор активно продвигаются вперед.

3) Асимптотически безопасная гравитация.
Моя любимая попытка приблизиться к КТГ.
Асимптотическая свобода была разработана в 70-х годах для объяснения необычного свойства сильных взаимодействий — на малых расстояниях сила очень слаба, но по мере удаления цветных заряженных частиц она становится сильнее.
В отличие от электромагнетизма, у которого константа взаимодействия мала, у сильного взаимодействия она большая.
Благодаря интересным свойствам квантовой хромодинамики, если построить систему без цветов, сила взаимодействий очень быстро уменьшится.
Асимптотическая безопасность вроде бы решает главную связанную с этим проблему - не нужны константы взаимодействия, которые малы или стремятся к нулю.
Вы хотите, чтобы константы были конечными.
Все константы взаимодействия меняются в зависимости от энергии, и асимптотическая безопасность просто выбирает значение константы в случаях с высокая энергия , а все остальное после этого можно рассчитать для более низких энергий.
Правда, мы пока рассчитали, как с этим бороться только в двумерном пространстве, где пространство имеет одно измерение, а время — одно.
Но процесс идет. Кристоф Веттерих опубликовал два прорвать работа в 90-е годы.
И шесть лет назад он использовал эту теорию, чтобы предсказания масса бозона Хиггса до его открытия БАКом.

И результат совпал с реальностью.
Это настолько замечательное предсказание, что, когда планка погрешности снизится еще больше и массы W-бозонов и бозонов Хиггса будут окончательно определены, нам даже не понадобятся другие элементарные частицы (например, суперсимметричные), чтобы поддерживать стабильность физики вплоть до планковских масштабов.
.
Она не только многообещающа, но и обладает теми же положительными свойствами, что и теория струн: она количественно определяет гравитацию, вырождается в общую теорию относительности при низких энергиях и является конечной в УФ-диапазоне.
И, в отличие от струн, он не требует вагона всякого дополнительного барахла, для которого нет никаких доказательств.

4) Причинно-динамическая триангуляция.
Это новый продукт, разработанный в 2000 Рената Лолль .
Он напоминает PCG с точки зрения дискретности пространства, но в основном касается эволюции самого пространства.
Одним из интересных свойств этой теории является то, что время также дискретно.
Теория подразумевает 4-мерное пространство-время (не постулируется, а скорее следует), которое при высоких энергиях превращается в двумерное.
В его основе лежит математическое понятие симплекса, который является многомерным аналогом треугольника.
2-симплекс — это треугольник, 3-симплекс — тетраэдр и так далее.
Интересно, что эта теория явно подразумевает принцип сохранения причинности.
Возможно, он сможет описать гравитацию, но пока мы не на 100% уверены, что в него можно втиснуть Стандартную модель элементарных частиц.

5) Индуцированная гравитация.
Самая спекулятивная и недавняя теория.
Она стала известна в 2009 году, когда Рик Верлинде предложил теорию.
энтропийная гравитация – модель, где гравитация не является основной силой, а является результатом явления, связанного с энтропией.
Истоки этой теории восходят к открытию условий возникновения барионной асимметрии во Вселенной, к концепции Андрея Сахарова, предложенной им в 1967 году.
Теория слишком нова, чтобы требовать от нее многого.

Что ж, вот что мы имеем сегодня по вопросу квантовой гравитации.
Она нужна нам, чтобы Вселенная работала на уровне частиц, но мы не знаем, как она выглядит и будет ли работать какая-либо из описанных теорий.
Теория струн — наиболее изученная из всех, асимптотически безопасная гравитация — моя любимая, петлевая квантовая гравитация — вторая по популярности из пяти, а причинная динамическая триангуляция и индуцированная гравитация — новые теории, которые в настоящее время активно разрабатываются.