Tag Archives: kvantna gravitacija

Šta je to teorija svega?

Teorija svega (TOE  ili TOE/ToE ), konačna teorijaultimativna teorijaobjedinjena teorija polja ili glavna teorija je hipotetički, jedinstveni, sveobuhvatni, koherentni teorijski okvir fizike koji u potpunosti objašnjava i povezuje sve aspekte univerzuma. Pronalaženje teorije svega jedan je od najvećih neriješenih problema u fizici. Teorija struna i M-teorija su predložene kao teorije svega.

Tokom proteklih nekoliko vijekova, razvijena su dva teorijska okvira koji, zajedno, najviše liče na teoriju svega. Ove dvije teorije na kojima počiva sva moderna fizika su opća teorija relativnosti i kvantna mehanika. Opća teorija relativnosti je teorijski okvir koji se fokusira samo na gravitaciju za razumijevanje svemira u područjima velikih razmjera i velikih masa: planetezvijezdegalaksijejata galaksija itd. S druge strane, kvantna mehanika je teorijski okvir koji se fokusira samo na tri negravitacijske sile za razumijevanje svemira u regijama i vrlo malih razmjera i male mase: subatomske česticeatomimolekule itd. Kvantna mehanika je uspješno implementirala standardni model koji opisuje tri negravitacijske sile: jaku nuklearnuslabu nuklearnu i elektromagnetnu silu – kao i sve posmatrane elementarne čestice.  

Opća teorija relativnosti i kvantna mehanika su više puta potvrđivani u svojim odvojenim oblastima relevantnosti. Budući da su uobičajene domene primjenjivosti opće relativnosti i kvantne mehanike toliko različiti, većina situacija zahtijeva da se koristi samo jedna od dvije teorije.    Dve teorije se smatraju nekompatibilnim u oblastima ekstremno malih razmera – Plankova skala – kao što su one koje postoje unutar crne rupe ili tokom početnih faza univerzuma (tj. u trenutku neposredno nakon Velikog praska). Da bi se razriješila nekompatibilnost, mora se otkriti teorijski okvir koji otkriva dublju temeljnu stvarnost, ujedinjujući gravitaciju s ostale tri interakcije, kako bi harmonično integrirao područja opće relativnosti i kvantne mehanike u besprijekornu cjelinu: teorija svega je jedinstvena teorija koja je u principu sposobna da opiše sve fizičke pojave u ovom svemiru.

Ime

U početku se pojam teorija svega koristio s ironičnim upućivanjem na razne pretjerano generalizirane teorije. Na primjer, poznato je da je djed Ijona Tichyja – lika iz ciklusa naučnofantastičnih priča Stanisława Lema iz 1960-ih – radio na „Općoj teoriji svega“. Fizičar Harald Fritzsch koristio je taj termin u svojim predavanjima u Varenni 1977. godine.  Fizičar John Ellis tvrdi  da je uveo akronim “TOE” u tehničku literaturu u članku u Nature 1986.  Vremenom se termin zaglavio u popularizaciji istraživanja teorijske fizike.

Izvori informacija:

0 Wikipedija

  1. Fran De Aquino (1999). “Theory of Everything”. arXiv:gr-qc/9910036.
  2. Steven Weinberg (2011-04-20). Dreams of a Final Theory: The Scientist’s Search for the Ultimate Laws of Nature. Knopf Doubleday Publishing Group. ISBN 978-0-307-78786-6.
  3. Overbye, Dennis (23 November 2020). “Can a Computer Devise a Theory of Everything? – It might be possible, physicists say, but not anytime soon. And there’s no guarantee that we humans will understand the result”The New York Times. Pristupljeno 23 November 2020.
  4. Stephen W. Hawking (28 February 2006). The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe. Phoenix Books; Special Anniv. ISBN 978-1-59777-508-3.
  5. SMOLIN, L. (2004). “An Invitation to Loop Quantum Gravity”Quantum Theory and Symmetries[]: 655–682. arXiv:hep-th/0408048Bibcode:2004qts..conf..655Sdoi:10.1142/9789812702340_0078ISBN .
  6. Carlip, Steven (2001). “Quantum Gravity: a Progress Report”. Reports on Progress in Physics64 (8): 885–942. arXiv:gr-qc/0108040Bibcode:2001RPPh…64..885Cdoi:10.1088/0034-4885/64/8/301.
  7. Susanna Hornig Priest (14 July 2010). Encyclopedia of Science and Technology Communication. SAGE Publications. ISBN 978-1-4522-6578-0.
  8. Fritzsch, Harald (1977). “THE WORLD OF FLAVOUR AND COLOUR”. CERN Report. Ref.TH.2359-CERN. (download at http://cds.cern.ch/record/875256/files/CM-P00061728.pdf )
  9. Ellis, John (2002). “Physics gets physical (correspondence)”. Nature415 (6875): 957. Bibcode:2002Natur.415..957Edoi:10.1038/415957bPMID 11875539.
  10. Ellis, John (1986). “The Superstring: Theory of Everything, or of Nothing?”. Nature323 (6089): 595–598. Bibcode:1986Natur.323..595Edoi:10.1038/323595a0.

Gravitacija: Možda smo ju do sada potpuno pogrešno shvatali

Simetrija je bila jedno od vodećih načela fizičara u traženju osnovnih prirodnih zakona. Što znači da zakoni prirode imaju simetriju? To znači da zakoni izgledaju isto i prije i nakon operacije, slično ogledalskoj refleksiji.




Fizičari su u svojim zakonima tražili zakone koji objašnjavaju i mikroskopski svijet elementarnih čestica, kao i makroskopski svijet univerzuma i Velikog praska, očekujući da bi takvi temeljni zakoni trebali biti simetrije u svim okolnostima. Međutim, prošle godine su dvojica fizičara pronašla teorijski dokaz da na najosnovnijem nivou priroda ne poštuje simetriju.

Kako su to uradili? Gravitacija i hologram

U fizičkom svijetu postoje četiri temeljne sile: elektromagnetizam, jaka sila, slaba sila i gravitacija. Gravitacija je jedina sila koja je još uvijek neobjašnjiva na kvantnom nivou. Njeni efekti na velike objekte, poput planeta ili zvijezda, relativno se lako mogu vidjeti, ali stvari se kompliciraju kada čovjek pokuša razumjeti gravitaciju u malom svijetu elementarnih čestica.

Da bi pokušali shvatiti gravitaciju na kvantnom nivou, Hirosi Ooguri, direktor Kavli instituta za fiziku i matematiku svemira u Tokiju, i Daniel Harlow, docent na Massachusetts Institute of Technology, započeli su s holografskim principom. Ovaj princip objašnjava trodimenzionalne pojave pod utjecajem gravitacije na dvodimenzionalnom ravnom prostoru na koji gravitacija ne utječe. Ovo nije stvarno predstavljanje našeg svemira, ali je dovoljno blizu da istraživačima pomogne u proučavanju njegovih osnovnih aspekata.




Par je zatim pokazao kako kvantni kod za ispravljanje grešaka, koje objašnjavaju kako trodimenzionalni gravitacijski fenomeni iskaču iz dvije dimenzije, poput holograma, nisu kompatibilni s bilo kojom simetrijom; što znači da takva simetrija ne može biti moguća u kvantnoj gravitaciji.

Za dalje čitanje posjetite:

https://phys.org/news/2020-01-gravity-wrong.html

Fizičari su pronašli način da vide “Grin” kvantne gravitacije

Nedavno predloženi eksperiment potvrdio bi da je gravitacija kvantna sila.

2 mikrodijamanta bi se koristila da se ispita kvantna priroda gravitacije

U 1935. godini, kada su i kvantna mehanika i generalna teorija relativnosti Alberta Ajnštajna bile mlade, malo poznati sovjetski fizičar po imenu Matvei Bronstein, sa samo 28 godina, napravio je prvu detaljnu studiju problema pomirenja ove dvije teorije u kvantnoj teoriji gravitacije. Ova “moguća teorija svijeta kao cjeline”, kako ju je Bronstein nazvao, zamjenila bi Ajnštajnov klasični opis gravitacije, koji ju smatra kao krivinu u kontinuumu prostor – vremena, i opisala ju na kvantnom jeziku kao i ostatak fizike.

Bronstein je shvatio kako opisati gravitaciju u smislu kvantizovanih čestica, sada nazvanih graviton, ali samo kada je sila gravitacije slaba – to je (uopšteno relativnost), kada je prostorno vrijeme tkanina tako slabo zakrivljena da se može aproksimirati kao ravna. Kada je gravitacija snažna, “situacija je sasvim drugačija”, napisao je on. “Bez dubinske revizije klasičnih pojmova, čini se teško da se i kvantna teorija gravitacije proširi i na ovu oblast”.

Njegove rječi bile su proročke. Osamdeset i tri godine kasnije, fizičari i dalje pokušavaju da shvate kako se krivulja prostor-vremena pojavljuje na makroskopskim skalama iz više fundamentalne, verovatno kvantne slike gravitacije; to je vjerovatno najdublje pitanje u fizici. Možda, s obzirom na šansu, pametan Bronštajn bi mogao pomoći da ubrzaju stvari. Pored kvantne gravitacije, doprineo je i astrofizici i kosmologiji, teoriji poluprovodnika i kvantnoj elektrodinamici, a takođe je napisao i nekoliko naučnih knjiga za djecu, prije nego što je uhvaćen u Staljinovom velikom čišćenju i pogubljen 1938. u 31 godini.

Sovjetski teoretski fizičar Matvei Petrovich Bronstein (1906-1938), pionir istraživanja kvantne gravitacije čiji radovi na zapadu ostaju uglavnom nepoznati.

Javni domen

Potraga za punom teorijom kvantne gravitacije ugušena je činjenicom da se kvantna svojstva gravitacije nikad ne manifestuju u stvarnom iskustvu. Fizičari nikada ne vide kako Ejnštajnov opis prostor-vremenskog kontinuuma, ili Bronsteinove kvantne aproksimacije kada je slabo zakrivljen, griješi.

Problem je ekstremna slabost gravitacije. Dok su kvantizovane čestice koje prenose snažne, slabe i elektromagnetne sile toliko moćne da čvrsto vezuju materiju u atome, i mogu se proučavati u top eksperimentima, gravitoni su pojedinačno toliko slabi da laboratorije nemaju nadu da ih otkriju. Da bi se otkrio graviton sa velikom vjerovatnoćom, detektor čestica mora biti toliko ogroman i masivan da bi se srušio u crnu rupu. Ova slabost je zbog čega je potrebna astronomska akumulacija mase da gravitaciono utiče na druga masivna tijela i zašto vidimo samo veliku težinu.

Ne samo to, već se čini da univerzum upravlja nekom vrstom kosmičke cenzure: regioni ekstremne gravitacije – gde su vremenske krivine toliko oštre da se ne otkrivaju Ajnštajnove jednačine i da se mora otkriti istinska, kvantna priroda gravitacije i prostora – uvjek se krije iza horizonta crnih rupa.

“Čak i prije nekoliko godina bio je opšti konsenzus koji kaže da, vjerovatno, ni na koji način nije moguće mjeriti kvantizaciju polja gravitacije”, rekao je Igor Pikovski, teoretski fizičar na Univerzitetu Harvard.

Nedavno je par radova objavljenih u Physical Review Letters-u promjenio račun. U člancima se tvrdi da je moguće pristupiti kvantnoj gravitaciji iako ništa ne znamo o njoj. Radovi, napisani od strane Sougata Bosea na Univerzitetskom koledžu u Londonu i devet saradnika, a Chiara Marletto i Vlatko Vedral na Univerzitetu u Oksfordu, predlažu tehnički izazovan, ali izvodljiv eksperiment koji bi mogao potvrditi da je gravitacija kvantna sila kao i ostalo , bez ikakvog otkrivanja gravitona. Miles Blencowe, kvantni fizičar na Dartmouth College-u koji nije bio uključen u rad, rekao je da će eksperiment otkriti siguran znak inače nevidljive kvantne gravitacije – “osmjeh Cheshire mačke”.

Predloženi eksperiment će utvrditi da li dva objekta – Bošina grupa planira da koriste par mikrodijamanata – mogu postati kvantno-mehanički povezani jedni s drugima kroz njihovu uzajamnu gravitacionu privlačnost. Upadanje je kvantni fenomen u kojem čestice postaju nerazdvojno prepletene, dijeljenje jedinstvenog fizičkog opisa koji specificira njihova moguća kombinovana stanja. (Koegzistencija različitih mogućih stanja, nazvana “superpozicija”, je znak kvantnih sistema.) Na primjer, u superpoziciji može postojati zamućeni par čestica u kojima postoji šansa od 50 posto da “spin” čestice A pokazuje nagore i Bove poenke i šansu od 50 posto prema dole. Nema unapred iskaza koji ishod ćete dobiti kada izmjerite smjerove centrifugiranja, ali možete biti sigurni da će pokazati suprotne načine.

Autori tvrde da se dva predmeta u predloženom eksperimentu mogu na ovaj način zapletati jedni na druge samo ako sila koja djeluje među njima – u ovom slučaju gravitacija – je kvantna interakcija, posredovana gravitonima koja mogu održavati kvantne superpozicije. “Ako možete da uradite eksperiment i dobijete zamah, onda prema tim dokumentima morate zaključiti da se gravitacija kvantizira”, objasnio je Blencowe.

Da spregnemo dijamant

Kvantna gravitacija je tako neprimjetna da su neki istraživači doveli u pitanje da li i postoji. Čestiti matematički fizičar Freeman Dyson, 94, tvrdi od 2001. godine da univerzum može održati neku vrstu “dualističkog” opisa, gdje je “gravitaciono polje opisano Einsteinovom teorijom opšteg relativiteta čisto klasično polje bez kvantnog ponašanja”, kako je on te godine napisao u The New York Review of Books, iako je sva stvar u ovom glatkom kontinuumu prostor – vremena kvantizirana u čestice koje su u skladu sa probabilističkim pravilima.

Dyson, koji je pomogao u razvoju kvantne elektrodinamike (teorije interakcije između materije i svjetlosti) i profesor emeritus na Institutu za napredne studije u Princetonu u New Jerseyu, gdje se preklapao sa Einsteinom, ne slaže se s argumentom da je kvantna gravitacija potrebna za opis nedostupnih enterijera crnih rupa. I on se pita da li je otkrivanje hipotetičkog gravitona možda i nemoguće, čak i načelno. U tom slučaju, tvrdi on, kvantna gravitacija je metafizika, a ne fizika.

On nije jedini skeptik. Renomirani britanski fizičar Sir Roger Penrose i, nezavisno, mađarski istraživač Lajos Diósi su pretpostavili da prostor – vrijeme ne može održavati superpozicije. Oni tvrde da njegova glatka, čvrsta, fundamentalno klasična priroda sprečava krivljenje na dva različita načina odjednom – i da je njegova rigidnost upravo ono što uzrokuje superpozicije kvantnih sistema poput elektrona i fotona da se kolabiraju. Ova “gravitacijska dekoherencija”, po njihovom mišljenju, dovodi do stvaranja jedne solidne, klasične stvarnosti doživljene na makroskopskim skalama.

Sposobnost detekcije “grina” kvantne gravitacije izgleda kao da odbacuje Dajsonov argument. To bi takođe ubilo gravitacionu teoriju dekoherencije, pokazujući da gravitacija i prostor-vrijeme održavaju kvantne superpozicije.

Prijedlozi Bosea i Marletta pojavili su se istovremeno uglavnom slučajno, mada su stručnjaci rekli da odražavaju zeitgeist. Eksperimentalne kvantne fizičke laboratorije širom svjeta stavljaju sve veće mikroskopske objekte u kvantne superpozicije i pojednostavljuju protokole za testiranje da li su dva kvantna sistema zapletena. Predloženi eksperiment će morati da kombinira ove procedure, a zahtjeva dodatna poboljšanja u obimu i osjetljivosti; moglo bi potrajati deceniju ili više. “Ali nema fizičkih prepreka”, rekao je Pikovski, koji takođe proučava kako laboratorijski eksperimenti mogu sagledati gravitacione pojave. “Mislim da je to izazovno, ali mislim da to nije nemoguće.”

Sougato Bose, fizičar na Univerzitetskom koledžu u Londonu, vodi tim istraživača koji planiraju eksperimentalno pristupiti kvantnoj gravitaciji.

Plan je detaljnije izložen u članku Bosea i koautora. Na primer, u svojoj laboratoriji na Univerzitetu u Warwicku, koautor Gavin Morley radi na prvom koraku, pokušavajući staviti mikrodijamant u kvantnu superpoziciju na dvije lokacije. Da bi to uradio, ugradio bi atom azota u mikrodijamant, pored slobodnog prostora u dijamantskoj strukturi, i zapušio mikrotalasnim pulsom. Elektronski orbitirajući sistem azotno-slobodnog sistema obojica apsorbuju svjetlost i ne, a sistem ulazi u kvantnu superpoziciju dva smjera okretanja – gore i dolje – kao predivni vrh koji ima vjerovatnoću okretanja u smjeru kazaljke na satu i neke šanse da se okreću suprotno od smjera suprotno od kazaljke na satu . Mikrodijamant, opterećen ovim naduvavanjem, podvrgava se magnetnom polju, što čini usporeno kretanje lijevo, a dole okretanje ide pravo. Sam dijamant se, dakle, dijeli u superpoziciju dvije trajektorije.

U punom eksperimentu, istraživači moraju sve to učiniti na dva dijamanta – plavom i crvenom, kažu – suspendovan jedan pored drugog u ultrakvalitetnom vakuumu. Kada je držač zamrznut, dva mikrodijamanta, svaki u superpoziciji dvije lokacije, vertikalno padaju kroz vakuum. Dok pada, dijamanti osjećaju gravitaciju jedan drugog. Ali koliko je jaka njihova gravitaciona atrakcija?

Ako je gravitacija kvantna interakcija, onda je odgovor: Zavisi. Svaka komponenta superpozicije plavog dijamanta imaće jaču ili slabiju gravitacionu privlačnost za crveni dijamant, u zavisnosti od toga da li je ovo drugo u grani svoje supozicije koja je bliža ili dalja. A gravitacija koju svaka komponenta superspekcije crvenih dijamanata osjeća slično zavisi od toga gdje je plavi dijamant.

U svakom slučaju, različiti stepen gravitacione privlačnosti utiču na razvijajuće komponente dijamantskih superpozicija. Dva dijamanta postaju međusobno zavisna, što znači da se njihova stanja mogu specificirati samo u kombinaciji – ako je to, onda to – tako da će, na kraju, spinovi pravci njihovih dva sistema azota-upražnjavanja biti korelirani.

Nakon što su mikrodijamanti pali uz rame uzastopno oko tri sekunde – dovoljno vremena da zapletu gravitacijom jedni druge – onda prolaze kroz drugo magnetno polje koje vraća grane svake superpozicije zajedno. Poslednji korak eksperimenta je protokol “svjedočenja svedoka” koji je razvila holandska fizičarka Barbara Terhal i ostali: Plavi i crveni dijamanti ulaze u zasebne uređaje koji mjere usmjeravanje spinova njihovih sistema za raspodjelu azota. (Mjerenje uzrokuje superposojanje da se sruši u određena stanja.) Dva ishoda se onda upoređuju. Korištenjem čitavog eksperimenta iznova i više i upoređivanjem mnogih parova mjerenja centrifugiranja, istraživači mogu utvrditi da li su spinovi dva kvantna sistema korelisani jedni sa drugima češće od poznate gornje granice za objekte koji nisu kvantno-mehanički zapleteni . U tom slučaju, slijedi da gravitacija upletava dijamante i može da održi superpozicije.

“Ono što je lijepo u vezi sa argumentima je da ne morate da znate šta je kvantna teorija, konkretno.”, rekao je Blencowe. “Sve što treba da kažete je da mora biti kvantnog aspekta za ovo polje koje posreduje sile između dvije čestice.”

Zašto je gravitacija jedinstvena

Kvantni istraživači gravitacije ne sumnjaju u to da je gravitacija kvantna interakcija, sposobna da izazove preplitanje. Naravno, gravitacija je na neki način posebna, i ima mnogo toga da se utvrdi o porijeklu prostor – vremena, ali kvantna mehanika mora biti uključena, kažu oni. “Zaista nema smisla pokušati imati teoriju u kojoj je ostatak fizike kvantni, a gravitacija je klasična”, rekao je Daniel Harlow, kvantni istraživač gravitacije na Institutu za tehnologiju u Massachusettsu. Teorijski argumenti protiv mješovitih kvantno-klasičnih modela su jaki (mada ne konačni).

S druge strane, teoretičari su ranije pogrešili, Harlow je napomenuo: “Ako možete da provjerite, zašto ne? Ako će to zatvoriti ove ljude “- što znači ljudi koji se bave pitanjem kvantnosti gravitacije -” to je sjajno “.

Dyson je napisao u elektronskoj pošti, nakon što je pročitao PRL dokumente, “Predloženi eksperiment je svakako od velikog interesa i vrijedan izvođenja sa stvarnim kvantnim sistemima.” Međutim, on je rekao da se način razmišljanja o kvantnim poljima razlikuje od njegovih. “Nije mi jasno da li će [eksperiment] rješiti pitanje da li postoji kvantna gravitacija.”, napisao je on. “Pitanje koje sam pitao, da li je jedan graviton vidljiv, je drugo pitanje i može se ispostaviti da ima drugačiji odgovor.”

Chiara Marletto, kvantni fizičar na Univerzitetu u Oksfordu, predložila je indirektan način da potvrdi da je gravitacija kvantna sila.


Zapravo, način na koji Bose, Marletto i njihovi koautori razmišljaju o kvantiziranoj gravitaciji potiče od toga kako je Bronstein to prvi put shvatio 1935. godine (Dyson je nazvao Bronsteinov rad “prelijep posao” koji on ranije nije vidio). , Bronstein je pokazao da slaba gravitacija koju proizvodi mala masa može biti aproksimirana Njutnovim zakonom gravitacije. (Ovo je sila koja djeluje između mikrodijamantskih superpozicija.) Prema Blencowe, prorađuni slabe kvantizovane gravitacije nisu razvijeni mnogo, uprkos činjenici da su fizički relevantniji od fizike crnih rupa ili Velikog praska. On se nada da će novi eksperimentalni predlog podstaći teoretičare da utvrde da li postoje neke suptilne korekcije njutonske aproksimacije koje bi budući tabletni eksperimenti mogli da saznaju.

Leonard Susskind, istaknuti kvantni gravitator i teoretičar na Univerzitetu Stanford, pokazao je vrijednost u izvođenju predloženog eksperimenta, jer “pruža osmatranje gravitacije u novom nizu masa i udaljenosti”. Međutim, on i drugi istraživači ističu da mikrodijamanti ne mogu otkriti bilo šta o punoj teoriji kvantne gravitacije ili prostora-vremena. On i njegove kolege žele da razumiju šta se dešava u centru crne rupe, i u trenutku Velikog praska.

Možda je jedan pokazatelj zašto je toliko teže da kvantizuje gravitaciju od svega ostalog da druge oblasti sila u prirodi pokazuju karakteristiku koja se zove “lokalitet”: kvantne čestice u jednom regionu polja (fotoni u elektromagnetnom polju, na primjer ) su “nezavisne od fizičkih subjekata u nekoj drugoj regiji prostora”, rekao je Mark Van Raamsdonk, kvantni teoretičar gravitacije na Univerzitetu u Britanskoj Kolumbiji. Ali “postoji barem puno teorijskih dokaza da to ne funkcioniše kao gravitacija”.

U najboljim modelima kvantne gravitacije (koji imaju geometriju prostor – vremena jednostavniju od onih u stvarnom univerzumu), nije moguće pretpostaviti da se tkanina svemirskog vremenskog razdvajanja dijeli na nezavisne 3-D komade, Van Raamsdonk rekao je. Umjesto toga, moderna teorija ukazuje na to da su osnovni, osnovni sastojci prostora “organizovani više na 2-D način.” Tkanina svemirskog vremena može biti poput holograma ili video igre: “Iako je slika trodimenzionalna , informacije se čuvaju u nekom dvodimenzionalnom računarskom čipu “, rekao je on. U tom slučaju, 3-D svijet je iluzoran u smislu da različiti dijelovi nisu sve to nezavisno. Na analogiji video igara, šaka bitova sačuvanih u 2-D čipu može kodirati globalne karakteristike svemira igre.

Razlika je važna kada pokušate da konstruišete kvantnu teoriju gravitacije. Uobičajeni pristup kvantizaciji nečega je identifikacija njegovih nezavisnih dijelova – čestica, recimo – i zatim primijeniti kvantnu mehaniku na njima. Ali ako ne identifikujete tačne sastojke, dobijate pogrešne jednačine. Direktno kvantiziranje trodimenzionalnog prostora, kako je Bronstein uradio, djeluje u izvesnoj mjeri zbog slabe gravitacije, ali metoda ne uspije kada je prostor-vrijeme visoko zakrivljeno.

Svjedočenje “osmeha” kvantne gravitacije pomoglo bi se motivaciji ovih apstraktnih linija razmišljanja, rekli su neki eksperti. Na kraju krajeva, čak i najznačajniji teorijski argumenti za postojanje kvantne gravitacije nemaju gravitaciju eksperimentalnih činjenica. Kada Van Raamsdonk objašnjava svoje istraživanje u kolokvijumu ili razgovoru, rekao je, obično mora da počne tako što kaže da gravitacija treba da se pomiri s kvantnom mehanikom, jer klasični prostorski vremenski opis ne uspeva sa crnim rupama i Velikim praskom i u mišljenju eksperimenti oko čestica koji se sudaraju pri nedopustivim visokim energijama.

Izvor: www.quantamagazine.org

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/