Teorija struna odgovara petlji kvantne gravitacije – Sabine Hossenfelder

Dva vodeća kandidata za “teoriju svega”, za koje se dugo mislilo da su nekompatibilna, mogu biti dve strane istog novčića. Prošlo je osam decenija otkako su fizičari shvatili da se teorije kvantne mehanike i gravitacije ne uklapaju zajedno, a slagalica o tome kako da ih kombinuju ostaje nerešena. U poslednjih nekoliko decenija istraživači su se bavili problemom u dva odvojena programa – teoriju struna i kvantnoj gravitaciji petlje – za koje njihovi praktičari smatraju da su nekompatibilne. Ali sada neki naučnici tvrde da je udruživanje snaga napredak. Među pokušajima ujedinjenja kvantne teorije i gravitacije, teorija struja privukla je najviše pažnje. Njena premisa je jednostavna: sve je napravljeno od sitnih žica. Nizovi mogu biti zatvoreni za sebe ili imaju labave krajeve; oni mogu vibrirati, istegnuti se, pridružiti se ili podeliti. U ovim višestrukim pojavljivanjima leži objašnjenje za sve pojave koje posmatramo, uključujući i materiju i prostor-vreme. Kvantna gravitacija petlje, za razliku od toga, manje se odnosi na stvar koja naseljuje prostor-vreme nego na kvantna svojstva samog prostora-vremena. U kvantnoj gravitaciji petlje ili LQG, prostor-vrijeme je mreža. Glatka pozadina Ajnštajnove teorije gravitacije zamjenjuje se čvorovima i linkovima kojima se dodeljuju kvantna svojstva. Na taj način, prostor je izgrađen od diskretnih komada. LQG je u velikoj meri istraživanje ovih komada. Ovaj pristup se već dugo smatrao nekompatibilnim sa teorijom struna. Zaista, konceptualne razlike su očigledne i duboke. Za početak, LQG istražuje bite prostor-vremena, dok teorija stringova istražuje ponašanje objekata unutar prostora-vremena. Posebni tehnički problemi razdvajaju polja. Teorija stringova zahteva da prostor-vrijeme ima 10 dimenzija; LQG ne radi u većim dimenzijama. Teorija struja takođe podrazumijeva postojanje supersimetrije, u kojoj sve poznate čestice imaju još neotkrivene partnere. Supersimetrija nije karakteristika LQG-a. Ove i druge razlike podelile su teorijsku zajednicu fizike u duboko divergentne kampove. “Konferencije su odvojene”, rekao je Jorge Pullin, fizičar na državnom univerzitetu u Luizijani i koautor udžbenika LQG. “Ljudi teorije petlje idu na njihove zasebne konferencuje. Ljudi teorije struna idu na konferencije teorije struna. Oni više ne idu na “fizičke” konferencije. Mislim da je to nesretno što se ovako razvijalo. ” Ali, brojni faktori mogu da zbližavaju kampove. Novi teorijski nalazi otkrili su potencijalne sličnosti između LQG i teorije nizova. Mlada generacija teoretičara niza počela je da gleda izvan teorije nizova o metodama i alatima koje bi mogle biti korisne u potrazi za razumijevanjem kako stvoriti “teoriju svega”. I još uvijek surovi paradoks koji uključuje crne rupe i gubitak informacija svima je sveža doza poniznosti. Štaviše, u odsustvu eksperimentalnih dokaza za teoriju nizova ili LQG, matematički dokaz da su ta dva u stvari suprotne strane istog novca podupiru argument da fizičari napreduju prema tačnoj teoriji svega. Kombinovanje LQG-a i teorije stringova stvarno bi bila jedina igra u gradu. Neočekivana veza Napor da se reše neki od unutrašnjih problema LQG-a doveli su do prve iznenađujuće veze sa teorijom struna. Fizičari koji proučavaju LQG nemaju jasno razumijevanje kako da se pomere iz svoje mreže prostorno-vremenskih delova i dođu do obimnog opisa prostora-vremena koji dopunjuje Einsteinovu opštu teoriju relativnosti – našoj najboloj teoriji gravitacije. Još više zabrinjavajuće, njihova teorija ne može pomiriti poseban slučaj u kojem se gravitacija može zanemariti. To je slabost koja obraća bilo koji pristup koji se oslanja na vremenski raspored prostorija: u Ajnštajnovoj teoriji posebne relativnosti, objekat će se javiti u zavisnosti od toga koliko se posmatrač brzo kreće u odnosu na njega. Ova kontrakcija takođe utiče na veličinu prostorno-vremenskih delova, koje posmatraju drugačije posmatrači različitih brzina. Neusklađenost dovodi do problema sa centralnim načelom Ajnštajnove teorije – da zakoni fizike trebaju biti isti bez obzira na brzinu posmatrača. “Teško je uvesti diskretne strukture bez problema sa posebnom relativnošću”, rekao je Pullin. U kratkom radu koji je napisao 2014 s čestim saradnikom Rodolfoom Gambinijem, fizičarem na Univerzitetu u Montevideu u Urugvaju, Pullin tvrdi da je stvaranje LQG kompatibilno sa posebnom relativnošću neophodno za interakcije koje su slične onima pronađenim u teoriji struna. Da su dva pristupa imala nešto zajedničko, izgledalo je vjerovatno Pullinu otkako je konačno devedesetih godina prošlog veka Huan Maldacena, fizičar Instituta za napredne studije u Prinstonu, NJ Maldacena, uporedio gravitacionu teoriju s takozvanom anti-de Siter (AdS) prostor-vrijeme sa teorijom polja (CFT – “C” je za “konforman”) na granici prostor-vremena. Korišćenjem ove AdS / CFT identifikacije gravitacione teoriju može se opisati bolje razumljivom teorijom polja. Puna verzija dualiteta je pretpostavka, ali ona ima dobro ograničavajući slučaj da teorija stringova ne igra nikakvu ulogu. Zbog toga što strune nisu bitne u ovom ograničavajućem slučaju, ona treba da se deli sa bilo kojom teorijom kvantne gravitacije. Pullin ovo vidi kao kontaktnu tačku. Herman Verlinde, teoretski fizičar na Princeton univerzitetu koji često radi na teoriji struna, smatra da je verovatno da metode od LQG mogu pomoći da osvetle gravitacionu stranu dualiteta. U nedavnom radu, Verlinde je pogledao AdS / CFT u pojednostavljenom modelu sa samo dvije dimenzije prostora i jednokratno, ili “2 + 1” kako kažu fizičari. Otkrio je da se AdS prostor može opisati mrežom poput onih koja se koriste u LQG. Iako gradnja trenutno radi samo u 2 + 1, ona nudi novi način razmišljanja o gravitaciji. Verlinde se nada da generalizuje model u višim dimenzijama. “Kvantna gravitacija petlje je uočena preozko. Moj pristup je da bude inkluzivan. To je mnogo intelektualnije u budućnosti “, rekao je. Ali čak iako su uspješno kombinovali LQG metode sa teorijom stringova kako bi napravili napredak u prostoru protiv de Dejtera, ostalo je pitanje: Koliko je korisna kombinacija? Svemirska vremena Anti-de Sitter imaju negativnu kosmološku konstantu (broj koji opisuje veliku geometriju univerzuma); naš univerzum ima pozitivan. Jednostavno ne naseljavamo matematički konstrukt koji je AdS prostor. Verlinde je pragmatičan. “Jedna ideja je da [za pozitivnu kosmološku konstantu] treba potpuno nova teorija”, rekao je on. “Onda se postavlja pitanje na koji način će teorija izgledati drugačije. AdS je u ovom trenutku najbolji nagovještaj za strukturu koju tražimo, a potom moramo pronaći obrt da dobijemo pozitivnu kosmološku konstantu. “Misli da je vrijeme dobro potrošeno:” Iako [AdS] ne opisuje naš svet , to će nas naučiti neke lekcije koje će nas voditi gdje da idemo. ” Dolaze zajedno u crnu rupu Verlinde i Pullin ukazuju na još jednu šansu da se teorija struna i kvantna gravitaciona grupa petlje sastanu: misteriozna sudbina informacija koje padaju u crnu rupu. U 2012. godini, četiri istraživača sa Univerziteta Kalifornija, Santa Barbara, naglasile su unutrašnju kontradikciju u teoriji koja prevladava. Oni su tvrdili da zahtevanje od crne rupe da dozvoli bekstvo bi uništilo delikatnu strukturu praznog prostora oko horizonta crne rupe, čime bi se stvorila vrlo energična barijera – “crni rup” zaštitni zid. Međutim, ovaj zaštitni zid nije kompatibilan s principom ekvivalencije koji je osnova generalne relativnosti, koja smatra da posmatrači ne mogu reći da li su prešli horizont. Inkompatibilnost teoretičara struna, koji su mislili da razumeju informacije o crnoj rupi i sada moraju ponovo da pregledaju svoje notebook računare. Ali ovo nije gadno samo za teoretičare. “Cela ova diskusija o zaštitnim zidovima crne rupe se odvijala uglavnom unutar teorijske zajednice teorije struna, što ne razumem”, rekao je Verlinde. “Ova pitanja o kvantnim informacijama i zapletu i kako izgraditi [matematički] Hilbertov prostor – to je upravo ono što ljudi u kvantnoj gravitaciji petlje dugo rade.” U međuvremenu, u razvoju koji je propustio veliki deo teorije struna zajednice, pala je i barijera koja je pretpostavljena iz supersimetrije i dodatnih dimenzije. Grupa oko Thomas Thiemann na Univerzitetu Friedrich-Alexander u Erlangen, u Njemačkoj, produžila je LQG u višim dimenzijama i uključivala supersimetriju, koja su ranije bila teritorija teorije struna. U skorije vreme, Norbert Bodendorfer, bivši učenik Thiemann-a koji je sada na Univerzitetu u Varšavi, primijenio je metode kvantizacije petlje LQG-a u prostor protiv anti-de Sitter-a. On tvrdi da LQG može biti koristan za AdS / CFT dualitet u situacijama kada teoretičari niza ne znaju kako izvoditi gravitacione račune. Bodendorfer oseća da se bivši provod između teorije žica i LQG udaljava.”U nekim prilikama sam imao utisak da teoretičari niza nisu znali mnogo o LQG-u i nisu želeli da pričaju o tome”, rekao je. “Ali, mlađi ljudi u teoriji struna, vrlo su otvoreni. Veoma su zainteresovani šta se dešava na interfejsu.” “Najveća razlika je u tome kako definišemo naša pitanja”, rekao je Verlinde. “Nažalost, to je više sociološki nego naučni problem.” On ne misli da su dva pristupa u sukobu: “Uvijek sam gledao [teoriju struna i kvantnu gravitaciju petlje] kao dijelove istog opisa. LQG je metoda, to nije teorija. To je metoda razmišljanja o kvantnoj mehanici i geometriji. To je metoda koju teoretičari stringa mogu koristiti i zapravo koriste. Ove stvari nisu nekompatibilne.” Nisu svi tako uvereni. Moshe Rozali, teoretičar struna na Univerzitetu u Britanskoj Kolumbiji, ostaje skeptičan prema LQG: “Razlog zbog kojeg ja lično ne radim na LQG-u je pitanje sa posebnom relativnošću”, rekao je on. “Ako vaš pristup ne poštuje simetriju posebne relativnosti od samog početka, onda vam u osnovi treba čudo da se desi na jednom od vaših intermedijarnih koraka.” Ipak, Rozali je rekao da će neki od matematičkih alata razvijenih u LQG biti zgodan. “Ne mislim da postoji verovatnoća da će teorija struna i LQG konvergirati na neku sredinu”, rekao je. “Ali metode su ono o čemu ljudi obično brinu, i to su dovoljno slične; matematičke metode bi mogle imati neka preklapanja. ” Ne svi na LQG strani očekuju da će se i oni spojiti. Carlo Rovelli, fizičar na Univerzitetu u Marseju i osnivač oca LQG, vjeruje da je njegovo polje nadmoćno. “Planeta struna je beskrajno manje arogantna nego pre deset godina, pogotovo nakon gorkog razočaranja nepojavljivanja supersimmetričnih čestica”, rekao je on. “Moguće je da te dve teorije mogu biti dijelovi zajedničkog rešenja … ali ja mislim da je malo verovatno. Čini mi se da teorija struna nije uspela da ispuni ono što je obećala 80-tih godina i jedna je od mnogih “lepih ideja – ali – priroda – nije-poput-toga” koja dotiče istoriju nauke. Ne razumem kako ljudi još uvijek mogu imati nadu u to.” Za Pullina, proglašenje pobede izgleda prerano: “Postoje ljudi iz LQG koji kažu:” Mi smo jedina igra u gradu “. Ne pretendujem na ovaj način rasprave. Mislim da su obe teorije potpuno nepotpune.” Izvor:https://www.quantamagazine.org/string-theory-meets-loop-quantum-gravity-20160112/