Атоми на пространството и времето
Ако невероятната теория за квантовата гравитация на веригата е правилна, тогава пространството и времето, които възприемаме като непрекъснати, всъщност се състоят от дискретни частици. От древни времена някои философи и учени са допускали, че материята може да се състои от малки атоми, но до преди 200 години малцина са вярвали, че съществуването им може да бъде доказано. Днес наблюдаваме отделни атоми и изучаваме частиците, които ги изграждат. Зърнестата структура на материята вече не е нова за нас.
През последните десетилетия физиците и математиците си задават въпроса: пространството съставено ли е от дискретни части? Наистина ли е непрекъснат или е по -скоро като парче плат, изтъкано от отделни влакна? Ако можехме да наблюдаваме изключително малки обекти, щяхме ли да видим атомите на пространството, неделими малки частици по обем? Но какво да кажем за времето: промените в природата протичат гладко или светът се развива с малки скокове, действайки като компютър?
През последните 16 години учените забележимо се приближиха до отговорите на тези въпроси. Според теория със странното име „контурна квантова гравитация“, пространството и времето всъщност се състоят от дискретни части. Изчисленията, извършени в рамките на тази концепция, описват проста и красива картина, която ни помага да обясним мистериозните явления, свързани с черните дупки и Големия взрив. Но основното предимство на споменатата теория е, че вече в близко бъдеще нейните прогнози могат да бъдат проверени експериментално: ние ще открием атомите на космоса, ако те наистина съществуват.
Кванти
Заедно с моите колеги разработихме теорията на квантовата гравитация на цикъла (LQG) в опит да развием дългоочакваната квантова теория на гравитацията. За да обясня изключителното значение на последното и връзката му с дискретността на пространството и времето, трябва да разкажа малко за квантовата теория и теорията на гравитацията.
Появата на квантовата механика през първата четвърт на ХХ век. беше свързано с доказателството, че материята е изградена от атоми. Квантовите уравнения изискват определени количества, като енергията на атома, да приемат само определени дискретни стойности. Квантовата механика описва точно свойствата и поведението на атомите, елементарните частици и силите, които ги свързват. Най -успешната квантова теория в историята на науката стои в основата на нашето разбиране за химия, атомна и субатомна физика.
През същите десетилетия, когато се ражда квантовата механика, Алберт Айнщайн развива обща теория на относителността, която е теорията на гравитацията. Според нея силата на гравитацията възниква в резултат на огъването на пространството и времето (които заедно образуват пространство-време) под въздействието на материята.
Представете си тежка топка, поставена върху гумен лист и малка топка, която се търкаля близо до голяма. Топките могат да се разглеждат като Слънцето и Земята, а листата като пространство. Тежка топка създава вдлъбнатина в гумения лист, по наклона на която по -малката топка се търкаля към по -голямата, сякаш някаква сила - гравитация - я дърпа в тази посока. По същия начин всяка материя или сноп енергия изкривява геометрията на пространството-време, привличайки частици и светлинни лъчи; наричаме това явление гравитация.
Отделно квантовата механика и общата теория на относителността на Айнщайн са потвърдени експериментално. Никога обаче не е имало случай, при който и двете теории да могат да бъдат тествани едновременно. Въпросът е, че квантовите ефекти са забележими само в малък мащаб и са необходими големи маси, за да станат забележими ефектите от общата теория на относителността. Комбинирането на двете условия е възможно само при някои извънредни обстоятелства.
В допълнение към липсата на експериментални данни, има огромен концептуален проблем: общата теория на относителността на Айнщайн е напълно класическа, т.е. не-квантов. За да се осигури логическата цялост на физиката, е необходима квантова теория на гравитацията, комбинираща квантовата механика с общата теория на относителността в квантова теория на пространството-време. Физиците са разработили много математически процедури за трансформиране на класическата теория в квантова теория. Много учени напразно се опитват да ги приложат към общата теория на относителността.
Изчисленията, извършени през 60 -те и 70 -те години, показват, че квантовата механика и общата теория на относителността не могат да се комбинират. Изглежда, че ситуацията може да бъде спасена само чрез въвеждането на напълно нови постулати, допълнителни частици, полета или обекти от различен вид. Екзотичността на единната теория трябва да се прояви само в тези изключителни случаи, когато както квантово-механичните, така и гравитационните ефекти стават значителни. В опитите за постигане на компромис се раждат такива направления като теория на твистора, некомутативна геометрия и супергравитация.
ОСНОВНИ ПРОБЛЕМИ НА КВАНТОВАТА ГРАВИТАЦИЯ
Не толкова много години се смяташе, че няма квантова теория на гравитацията и е далеч от откриването си. Въпреки че няколко души са работили по проблема с квантовата гравитация от 50 -те години на миналия век, до началото на седемдесетте години не е постигнат голям напредък, освен техническите резултати, които изключват няколко подхода.
Те включват стандартни пертурбативни подходи, които се опитват да основават квантовата гравитация на теорията на смущенията на Фейнман за гравитационни режими под формата на $$ g _ {\ mu \ nu} = \ eta _ {\ mu \ nu} + h _ {\ mu \ nu} ~~ ~~~~~~~~ (1) $$ Тук $ h _ {\ mu \ nu} $ се счита за малко смущение върху плосък фон $ \ eta _ {\ mu \ nu} $. Установено е, че всички подобни подходи за квантоване на общата теория на относителността се провалят в някои ниски порядки на теорията на смущенията, което води до пертурбативно ненормализируеми теории.
Правени са различни опити да се спаси ситуацията на нивото на разлагане във формата (1) и всички те се провалят. Например, можете да добавите термини в зависимост от квадрата на кривината към действието на Айнщайн; тогава важи пертурбативната пренормируемост, но с цената на пертурбативна унитарност. Същото важи и при опит за въвеждане на допълнителни степени на свобода, като динамично усукване или неметричност.
Във всеки случай човек успява да изгради теория, която е пертурбативно ренормируема или пертурбативно унитарна, но не и теория, която има и двете свойства. Правени са различни опити за конструиране на алтернативни декомпозиции, като $ 1 / N $ разлагане, $ 1 / D $ разлагане, използване на механизма на Lee-Wick и т.н. (Ако читателят не знае какви са, не е нужно да се притеснява, те не работят!) Имаше кратък период на ентусиазъм за супергравитацията, но след известно време беше осъзнато, че съдбата на теориите за супергравитацията е същата, когато се интерпретират пертурбативно.
Теорията на струните е много популярна сред физиците, според която освен трите добре известни пространствени измерения има още шест или седем, които никой не е успял да забележи досега. Теорията на струните също предсказва съществуването на много нови елементарни частици и сили, чието присъствие никога не е било потвърждавано чрез наблюдение. Някои учени смятат, че тя е част от т. Нар. М-теория, но за съжаление все още не е предложено точно определение. Затова много експерти са убедени, че трябва да се проучат наличните алтернативи. Нашата циклична квантова теория на гравитацията е най -напредналата от тях.
Голяма вратичка
В средата на 80-те години. заедно с Abhay Ashtekar, Ted Jacobson и Carlo Rovelli, решихме отново да се опитаме да комбинираме квантовата механика и общата теория на относителността, използвайки стандартни методи. Факт е, че една важна вратичка остава в отрицателните резултати, получени през 70 -те години на миналия век: при изчисленията се приема, че геометрията на пространството е непрекъсната и гладка, колкото и подробно да я изучаваме. По същия начин хората са разглеждали материята преди откриването на атомите.
И така, решихме да изоставим концепцията за гладко непрекъснато пространство и да не въвеждаме никакви хипотези, с изключение на добре проверените експериментални разпоредби на общата теория на относителността и квантовата механика. По -конкретно, нашите изчисления се основават на два ключови принципа на теорията на Айнщайн.
Първият от тях - независимостта от околната среда - обявява, че геометрията на пространството -време не е фиксирана, а е променяща се, динамична величина. За да се определи геометрията, е необходимо да се решат редица уравнения, които отчитат влиянието на материята и енергията. Между другото, съвременната струнна теория не е независима от средата: уравненията, описващи струните, са формулирани в определено класическо (т.е. не-квантово) пространство-време. Вторият принцип, наречен "диффеоморфна инвариантност", казва, че сме свободни да избираме всяка координатна система, за да картографираме пространството-време и да изграждаме уравнения. Точка в пространството-време се определя само от събитията, които физически се случват в нея, а не от нейната позиция в някаква специална координатна система (няма специални координати). Дифеоморфната инвариантност е изключително важна фундаментална позиция на общата теория на относителността.
Чрез внимателно комбиниране на двата принципа със стандартни методи на квантовата механика, ние разработихме математически език, който ни позволи да извършим необходимите изчисления и да разберем дали пространството е дискретно или непрекъснато. За наша радост, от изчисленията следва, че пространството се квантува! Ето как поставихме основите на теорията за квантовата гравитация на контура. Между другото, терминът "loopback" е въведен поради факта, че някои изчисления използват малки цикли, разпределени в пространство-време. Много физици и математици са проверили нашите изчисления, използвайки различни методи. С годините теорията на квантовата гравитация на цикъла се засили благодарение на усилията на учени по целия свят. Свършената работа ни позволява да се доверим на картината на пространството-време, която ще опиша по-долу.
Нашата квантова теория се занимава със структурата на пространството-време в най-малките скали и за да я разберем, е необходимо да разгледаме нейните прогнози за малка площ или обем. Когато се занимавате с квантова физика, е важно да определите кои физически величини трябва да бъдат измерени. Представете си определена област, обозначена с границата В, която може да бъде определена от материален обект (например чугунена обвивка) или директно от геометрията на пространството-време (например хоризонт на събитията в случай на Черна дупка). Какво се случва, когато измерваме обема на описаната площ? Какви са възможните резултати, приети както от квантовата теория, така и от диффеоморфната инвариантност? Ако геометрията на пространството е непрекъсната, тогава разглежданият регион може да има всякакъв размер, а обемът му може да се изрази с всяко реално положително число,по -специално, произволно близо до нула. Но ако геометрията е гранулирана, тогава резултатът от измерването може да принадлежи само към дискретен набор от числа и не може да бъде по -малък от определен минимален възможен обем. Нека си припомним каква енергия може да притежава електрон, въртящ се около атомно ядро? В рамките на класическата физика - всякаква, но квантовата механика допуска само определени, строго фиксирани дискретни стойности на енергията. Разликата е същата като тази между измерването на обема на течността, която образува непрекъснат поток (от гледна точка на учените от 18 век), и определянето на количеството вода, чиито атоми могат да бъдат преброени.Нека си припомним каква енергия може да притежава електрон, въртящ се около атомно ядро? В рамките на класическата физика - всякаква, но квантовата механика допуска само определени, строго фиксирани дискретни стойности на енергията. Разликата е същата като тази между измерването на обема на течността, която образува непрекъснат поток (от гледна точка на учените от 18 век), и определянето на количеството вода, чиито атоми могат да бъдат преброени.Нека си припомним каква енергия може да притежава електрон, въртящ се около атомно ядро? В рамките на класическата физика - всякаква, но квантовата механика допуска само определени, строго фиксирани дискретни стойности на енергията. Разликата е същата като тази между измерването на обема на течността, която образува непрекъснат поток (от гледна точка на учените от 18 век), и определянето на количеството вода, чиито атоми могат да бъдат преброени.
Според теорията на квантовата гравитация на контура, пространството е като атомите: числата, получени чрез измерване на обема, образуват дискретно множество, т.е. силата на звука се променя на отделни порции. Друга величина, която може да бъде измерена, е площта на границата В, която също се оказва дискретна. С други думи, пространството не е непрекъснато и се състои от определени квантови единици за площ и обем.
Възможните стойности на обем и площ се измерват в единици, получени от дължината на Планк, която е свързана със силата на гравитацията, величината на квантите и скоростта на светлината. Дължината на дъската е много малка: 10 -33 см; той определя мащаба, при който геометрията на пространството вече не може да се счита за непрекъсната. Най -малката възможна ненулева площ е приблизително равна на квадрата на дължината на Планк, или 10 -66 cm 2 . Най -малкият възможен ненулев обем е кубът с дължина на Планк или 10 -99 см 3 . Така, според теорията, всеки кубичен сантиметър пространство съдържа приблизително 10 99атоми по обем. Квантът на обема е толкова малък, че има повече такива кванти в кубичен сантиметър, отколкото има кубични сантиметри във видимата Вселена (10 85 ).
Спин мрежи
Какви са квантите за обем и площ? Възможно ли е пространството да се състои от огромен брой малки кубчета или сфери? Не, не е толкова просто. Ние изобразяваме квантовите състояния на обем и площ под формата на диаграми, които не са лишени от особена красота. Представете си пространство, което има форма на куб. На диаграмата ние го изобразяваме като точка, представляваща обем, с шест линии, простиращи се от нея, всяка от които изобразява една от граните на куба. Числото до точката показва размера на обема, а цифрите до редовете показват площта на съответните лица.
Поставете пирамида върху куба. Нашите многогранници имат общо лице и те трябва да бъдат изобразени като две точки (два тома), свързани с една от линиите (лицето, което свързва обемите). Кубът има пет свободни лица (пет линии), а пирамидата има четири (четири линии). По подобен начин може да бъде изобразена всяка комбинация от различни многогранници: обемните многогранници стават точки или възли, а плоските лица се превръщат в линии, свързващи възли. Математиците наричат тези диаграми графики.
В нашата теория ние изхвърляме чертежи на многогранници и оставяме само графики. Математиката, описваща квантовите състояния на обем и площ, ни предоставя набор от правила за това как линиите могат да свързват възли и какви числа могат да бъдат разположени на различни места в диаграмата. Всяко квантово състояние съответства на една от графиките, а всяка графика, която отговаря на правилата, съответства на квантово състояние. Графиките са удобен стенограм за възможните квантови състояния на пространството.
Диаграмите са много по -подходящи за представяне на квантовите състояния, отколкото многогранниците. По -специално, някои графики са свързани по толкова странни начини, че е невъзможно точно да се трансформират в модел на многогранници. Например, в случаите, когато пространството е извито, е невъзможно да се изобразят многогранници, които се вписват правилно, но изобщо не е трудно да се начертае графика и да се използва за изчисляване на това колко е изкривено пространството. Тъй като изкривяването на пространството създава гравитацията, диаграмите играят огромна роля в квантовата теория на гравитацията.
За по-голяма простота често рисуваме графики в две измерения, но е по-добре да ги мислим като запълващи триизмерно пространство, защото те представляват това. Но тук има концептуален капан: линиите и възлите на графиката не заемат конкретни позиции в пространството. Всяка графика се определя само от това как нейните части са свързани помежду си и как са свързани с добре дефинирани граници (например с границата на област В). Няма обаче непрекъснато триизмерно пространство, в което графиките да се поставят. Линиите и възлите са пространство, чиято геометрия се определя от това как се свързват.
Описаните графики се наричат спин мрежи, тъй като числата, посочени върху тях, са свързани със спина. Още в началото на 70 -те години. Роджър Пенроуз от Оксфордския университет предполага, че спиновите мрежи са свързани с теорията на квантовата гравитация. През 1994 г. нашите точни изчисления потвърдиха неговата интуиция. Читателите, запознати с диаграмите на Фейнман, трябва да отбележат, че спиновите мрежи не са, въпреки повърхностните им прилики. Диаграмите на Фейнман отразяват квантовите взаимодействия между частици, преминаващи от едно квантово състояние в друго. Въртящите се мрежи представляват фиксирани квантови състояния на обеми и области на пространството. Отделните възли и ръбове на диаграмите представляват изключително малки области на пространството: типичен възел съответства на обем от около една дължина на Планк в куб, а една линия съответства на площ с около една дължина на Планк в квадрат. Но по принцип спиновата мрежа може да бъде безкрайно голяма и произволно сложна. Ако можем да изобразим подробна картина на квантовото състояние на нашата Вселена (т.е. геометрията на нейното пространство, извита и усукана от гравитацията на галактики, черни дупки и т.н.), тогава бихме получили гигантска спинова мрежа с невъобразима сложност, съдържащ приблизително 10 184 възли.
И така, спиновите мрежи описват геометрията на пространството. Но какво да кажем за материята и енергията в нея? Частици, като електрони, съответстват на определени места с допълнителни етикети. Полета като електромагнитни полета са обозначени с подобни маркери на линиите на графиката. Движението на частици и полета в пространството е дискретно (подобно на скок) движение на етикети по графиката.
Стъпки и пяна
Частиците и полетата не са единствените движещи се обекти. Според общата теория на относителността, когато материята и енергията се движат, пространството се променя, вълните дори могат да преминават през него, като вълнички по езеро. В теорията на квантовата гравитация на цикъла такива процеси са представени чрез дискретни трансформации на спиновата мрежа, при които графичната свързаност се променя стъпка по стъпка.
Когато описват квантово -механични явления, физиците изчисляват вероятността от различни процеси. Ние правим същото, когато прилагаме теория на квантовата гравитация на цикъл, за да опишем промените в геометрията на пространството или движението на частици и полета в спин мрежа. Томас Тиман от Института за теоретична физика във Ватерло получи точни изрази за изчисляване на квантовата вероятност за стъпки в спинова мрежа. В резултат на това се появи ясна процедура за изчисляване на вероятността за всеки процес, който може да се случи в свят, който се подчинява на правилата на нашата сега окончателно оформена теория. Остава само да се изчисли и направи прогноза за това, което може да се наблюдава при определени експерименти.
В теорията на относителността пространството и времето са неразделни и представляват едно пространство-време. С въвеждането на концепцията за пространство-време в теорията на квантовата гравитация на веригата, спиновите мрежи, представляващи пространството, се превръщат в така наречената спинова пяна. С добавянето на друго измерение - време - линиите на спиновата мрежа се разширяват и се превръщат в двуизмерни повърхности, а възлите се разтягат в линии. Преходите, при които се променя спиновата мрежа (стъпките, описани по -горе), сега са представени от възлите, в които линията на пяната се сближават. Изгледът на въртящата се пяна на пространството -време е предложен от няколко изследователи, включително Карло Ровели, Майк Райзенбергер, Джон Барет, Луис Крейн,Джон Баез и Фотини Маркопулу.
Моментна снимка на случващото се е като напречен разрез на пространство-време. Подобно рязане на пяна е центрофугирана мрежа. Не се заблуждавайте обаче, че равнината на среза се движи непрекъснато като плавен поток от време. Точно както пространството се определя от дискретната геометрия на въртящата се мрежа, времето се определя от последователност от отделни стъпки, които възстановяват мрежата (вижте фигурата на страница 55). По този начин времето също е дискретно. Времето не тече като река, а тиктака като часовник. Интервалът между "кърлежи" е приблизително равен на времето на Планк, или 10 -43 s. По -точно, времето в нашата Вселена се измерва с безброй часовници: когато в спиновата пяна се случва квантова стъпка, часовникът прави едно „тиктак“.
Прогнози и проверки
Теорията на квантовата гравитация на цикъл описва пространството и времето по скалата на Планк, която е твърде малка за нас. И така, как да го тестваме? Първо, много е важно да се разбере дали класическата обща теория на относителността може да бъде изведена като приближение към квантовата гравитация. С други думи, ако центрофугиращите мрежи са като нишките, от които е изтъкана тъканта, тогава въпросът е: ще бъде ли възможно да се изчислят правилно еластичните свойства на парче материал чрез усредняване на хиляди нишки. Можем ли да получим описание на "гладката мрежа" на класическото пространство на Айнщайн, ако усредним спиновата мрежа за много дължини на Планк? Учените наскоро успешно разрешиха този най -труден проблем за няколко специални случая, така да се каже, за някои конфигурации на материала. Например, нискочестотни гравитационни вълни, разпространяващи се в плоско (неизвито) пространство,може да се разглежда като възбуждане на определени квантови състояния, описани в съответствие с теорията на квантовата гравитация на контура.
Една от дългогодишните загадки за термодинамиката на черните дупки и особено за тяхната ентропия се оказа добър тест за квантовата гравитация на контура. Физиците са разработили термодинамичен модел на черна дупка, основан на хибридна теория, в която материята се разглежда като квантово-механична, но пространството-времето не е така. По -специално, през 70 -те години на миналия век. Джейкъб Д. Бекенщайн извежда, че ентропията на черна дупка е пропорционална на нейната повърхност (виж статията „Информация в холографската вселена“, „В света на науката“, № 11, 2003). Скоро Стивън Хокинг стигна до заключението, че черните дупки, особено малките, трябва да излъчват.
За да извършим подобни изчисления в рамките на теорията на квантовата гравитация на контура, ние приемаме границата на област В като хоризонт на събитията на черната дупка. Като анализираме ентропията на съответните квантови състояния, получаваме точно предсказанието на Бекенщайн. Със същия успех нашата теория не само възпроизвежда предсказанието на Хокинг за радиацията на черни дупки, но също така ни позволява да опишем нейната фина структура. Ако някога е възможно да се наблюдава микроскопична черна дупка, теоретичните прогнози могат да бъдат проверени чрез изучаване на спектъра на нейното излъчване.
Най -общо казано, всяка експериментална проверка на теорията на квантовата гравитация на веригата е изпълнена с огромни технически трудности. Характерните ефекти, описани от теорията, стават значителни само в мащаба на дължината на Планк, която е с 16 порядъка по -малка, отколкото ще бъде възможно да се изследва в близко бъдеще при най -мощните ускорители (необходима е по -висока енергия за изследване на по -малки скали ). Наскоро обаче учените предложиха няколко достъпни начина за тестване на квантовата гравитация на контура. Дължината на вълната на светлината, разпространяваща се в средата, претърпява изкривяване, което води до пречупване и разсейване на лъчите. Подобни метаморфози се случват със светлина и частици, движещи се през дискретно пространство, описано от спинова мрежа.
За съжаление, големината на тези ефекти е пропорционална на съотношението на дължината на Планк към дължината на вълната. За видимата светлина тя не надвишава 10 -28 , а за космическите лъчи с най -висока енергия е около една милиардна. С други думи, зърнестостта на структурата на пространството има изключително слаб ефект върху практически всяка наблюдавана радиация. Но колкото по -дълго е изминатото разстояние от светлината, толкова по -забележими са последиците от дискретността на спиновата мрежа. Съвременното оборудване ни позволява да открием излъчването на гама-изблици, разположени на милиарди светлинни години от нас.
Въз основа на теорията за квантовата гравитация на цикъла, Родолфо Гамбини и Хорхе Пулин установяват, че фотоните с различна енергия трябва да се движат с малко различни скорости и да достигат до наблюдателя в различно време. Сателитните наблюдения на гама-изблици ще ни помогнат да проверим това. Точността на съвременните инструменти е 1000 пъти по-ниска от необходимата, но през 2006 г. ще бъде пусната сателитната обсерватория GLAST, чието прецизно оборудване ще позволи да се проведе дългоочакваният експеримент. Има ли противоречие тук с теорията на относителността, която постулира постоянството на скоростта на светлината? Заедно с Джовани Амелино-Камелия и Жоао Магейхо разработихме модифицирани версии на теорията на Айнщайн, които позволяват фотони с висока енергия, пътуващи с различни скорости. На свой ред постоянството на скоростта се отнася до фотони с ниска енергия, т.е. към светлина с дълги вълни.
Друго възможно проявление на дискретността на пространството-време е свързано с космическите лъчи с много висока енергия. Преди повече от 30 години учените установиха, че протоните на космическите лъчи с енергия над 3 * 10 19 eV трябва да бъдат разпръснати върху космическия микровълнов фон, който запълва пространството, и следователно никога няма да достигнат Земята. Въпреки това японският експеримент AGASA регистрира повече от 10 събития с космически лъчи с още по -висока енергия. Оказа се, че дискретността на пространството увеличава енергията, необходима за реакцията на разсейване и позволява на високоенергийните протони да посещават нашата планета. Ако наблюденията на японски учени се потвърдят и не се намери друго обяснение, тогава ще бъде възможно да се предположи, че дискретността на пространството е доказана експериментално.
Космос
Теорията за квантовата гравитация на контура ни принуждава да погледнем отначало на произхода на Вселената и ни помага да си представим какво се е случило непосредствено след Големия взрив. В съответствие с общата теория на относителността в историята на Вселената имаше първата, нулева точка във времето, която не е в съгласие с квантовата физика. Изчисленията на Мартин Бойовалд, базирани на бримковата теория на квантовата гравитация, показват, че Големият взрив всъщност е голям отскок, тъй като Вселената бързо се свива преди него. Теоретиците вече работят по нови модели на ранните етапи от развитието на Вселената, които скоро могат да бъдат тествани в космологични наблюдения. Възможно е ние с вас да имаме късмета да разберем какво се е случило преди Големия взрив.
Въпросът за космологичната константа е не по -малко сериозен: плътността на енергията, проникваща в „празното“ пространство, е положителна или отрицателна? Резултатите от наблюденията на CMB и далечните свръхнови показват, че съществува тъмна енергия. Нещо повече, той е положителен, защото Вселената се разширява с ускорение. От гледна точка на теорията на квантовата гравитация на контура тук няма противоречие: още през 1990 г. Хидео Кодама съставя уравнения, които точно описват квантовото състояние на Вселената с положителна космологична константа.
Редица въпроси, включително чисто технически, все още не са решени. Какви корекции трябва да се направят в специалната теория на относителността при изключително високи енергии (ако има такава)? Ще помогне ли теорията за квантовата гравитация на цикъла да докаже, че различните сили, включително гравитацията, са аспекти на едно фундаментално взаимодействие? Може би верижната квантова гравитация наистина е квантова обща теория на относителността, защото зад нея няма допълнителни предположения, освен основните принципи на квантовата механика и теорията на Айнщайн. Изводът за дискретността на пространството-време, описан от спиновата пяна, следва директно от самата теория и не е въведен като постулат.
Тук обаче говоря само за теория. Може би пространството всъщност е гладко и непрекъснато във всеки, произволно малък мащаб. Тогава физиците ще трябва да въведат допълнителни радикални постулати, както в случая с теорията на струните. И тъй като експериментът в крайна сметка ще реши всичко, имам добра новина - ситуацията може да стане по -ясна в близко бъдеще.
Допълнителна литература:
Три пътя към квантовата гравитация. Лий Смолин. Основни книги, 2001.
Квантът на площта? Джон Баез. Nature, том 421, стр. 702-703; Февруари 2003 г.
Колко далеч сме от квантовата теория на гравитацията? Лий Смолин. Март 2003. Предпечат на http://arxiv.org/hep-th/0303185
Добре дошли в Quantum Gravity. Специален раздел, Свят на физиката, том 16, № 11, стр. 27-50; Ноември 2003 г.
Циклична квантова гравитация. Лий Смолин. Предлага се на http://www.edge.org/3rd_culture/smolin03/smolin03_index.html
Квантови състояния на обем и площ
ОСНОВНОТО ЗАКЛЮЧЕНИЕ на теорията на квантовата гравитация на контура се отнася до обеми и области. Помислете за област от пространство, ограничена от сферична обвивка В (вижте по -горе). В съответствие с класическата (не-квантовата) физика обемът му може да се изрази с всяко реално положително число. Въпреки това, според теорията на квантовата гравитация на контура, има ненулев абсолютен най -малък обем (приблизително равен на куба на дължината на Планк, т.е. 10 99 cm 3 ), а стойностите на големите обеми са дискретна поредица от числа . По същия начин има минимална площ, различна от нула (приблизително квадратът на дължината на Планк или 10 66 cm 2) и дискретна серия от допустими по -големи площи. Дискретните спектри на допустимите квантови области (вляво) и квантовите обеми (в центъра) са като цяло подобни на дискретни квантови енергийни нива на водородния атом (вдясно).
Изображение на квантовото състояние на обема
Схемите, наречени SPIN NETS, се използват за представяне на квантовите състояния на пространството в мащаба на минималната дължина. Например, куб (а) е обем, заобиколен от шест квадратни лица. Съответната въртяща се мрежа (b) съдържа точка (възел), представляваща обема, и шест линии, представляващи лица. Числото до възела показва размера на обема, а числото до реда показва площта на съответното лице. В този случай обемът е равен на осем кубични единици Планк, а всяка от границите има площ от четири квадратни единици Планк. (Правилата на квантовата гравитация на контура ограничават допустимите стойности на обеми и области до определени величини: само определени комбинации от числа могат да бъдат разположени на линии и на възли.) Ако пирамида (с) е поставена върху горната страна на куба, тогава линията, представляваща това лице в спиновата мрежа, трябва да свърже кубния възел с пирамидалния възел (d). Линиите, съответстващи на четирите свободни лица на пирамидата и петте свободни лица на куба, трябва да излязат от съответните възли. (За по -просто, числата са пропуснати.) Като цяло, в спин мрежа, един квант от площ се изобразява с една линия (e), а област, съставена от много кванти, се обозначава с много линии (f). По същия начин един квант от обем се изобразява от един възел (g), докато по -голям обем съдържа много възли (h). Така обемът в сферична обвивка се определя от сумата от всички възли, затворени в него, и площта на повърхността е равна на сумата от всички линии, преминаващи през границата на региона. Спин мрежите са по -фундаментални от многогранните конструкции: всяка комбинация от многогранници може да бъде представена с подходяща диаграма, но някои обикновени въртящи се мрежи представляват комбинации от обеми и области, които не могат да бъдат направени от многогранници. Такива въртящи се мрежи възникват, когато пространството е извито от силно гравитационно поле или квантови колебания в геометрията по скалата на Планк.
Еволюция на геометрията във времето
ПРОМЯНАТА НА ФОРМАТА на пространството по време на движението на материята и енергията в него и по време на преминаването на гравитационни вълни през него се изобразява чрез дискретни пренареждания, стъпки на спиновата мрежа. На фиг. и свързана група от три кванта на обема се слива в едно; възможен е и обратният процес. На фиг. b два тома разделят пространството и се свързват към съседни томове по различен начин. Когато са изобразени под формата на многогранници, два многогранника се комбинират по общото им лице и след това се разделят, както при разделяне на кристали по друга равнина. Такива стъпки в спиновата мрежа се случват не само с големи промени в геометрията на пространството, но и с непрекъснати квантови колебания по скалата на Планк. Друг начин за представяне на стъпки е да добавите друго измерение към диаграмата - време. Резултатът е центрофугираща пяна (c). Линиите на въртящата се мрежа се превръщат в равнини, а възлите в линии. Спиновата пяна, изрязана в определен момент от време, е спин мрежа. След като направихме няколко такива разфасовки, ще получим кадри от филм, който разказва за развитието на въртяща се мрежа във времето (d). Но имайте предвид, че еволюцията, която на пръв поглед изглежда гладка и непрекъсната, всъщност е на скок. Всички въртящи се мрежи, съдържащи оранжева линия (първите три рамки), показват абсолютно еднаква геометрия на пространството.Дължината на линиите няма значение - за геометрията единственото важно нещо е как са свързани линиите и с какъв номер е всяка от тях маркирани с. Това определя относителното положение и размера на квантите за обем и площ.Така, на фиг., D през първите три кадъра геометрията остава постоянна - 3 кванта обем и 6 кванта площ. Тогава пространството се променя в скокове и граници: остава 1 квант обем и 3 кванта площ, както е показано в последния кадър. По този начин времето, определено от центрофугиращата пяна, не се променя непрекъснато, а като последователност от внезапни дискретни стъпки. И въпреки че за по -голяма яснота такива последователности са показани като рамки на филм, по -правилно е да се разглежда еволюцията на геометрията като дискретно биене на часовник. С едно "отметка" има оранжев квант на областта; следващия път, когато изчезна: всъщност изчезването му определя „отметката“. Интервалът между последователните "кърлежи" е приблизително равен на времето на Планк (10 -43 s), но няма време между тях; не може да има "между", тъй като няма вода между две съседни молекули H 2 O.
Експериментална проверка
КОГАТО избухването на гама-лъчи се случва на милиарди светлинни години от нас, мигновената експлозия генерира огромно количество гама-лъчи. В съответствие с теорията на квантовата гравитация на цикъл, фотон, движещ се по спинова мрежа, заема няколко линии във всеки момент от времето, т.е. известно пространство (в действителност има много линии на квант светлина, а не пет, както е показано на фигурата). Дискретното естество на пространството кара гама лъчите с по -висока енергия да се движат малко по -бързо. Разликата е незначителна, но по време на космическото пътуване ефектът се натрупва в продължение на милиарди години. Ако гама лъчите с различни енергии, произтичащи от изблика, пристигнат на Земята в различно време, това е доказателство в полза на теорията за квантовата гравитация на контура.През 2006 г. се планира изстрелването на спътника GLAST.на борда, който ще бъде оборудван с достатъчно чувствително оборудване за откриване на разсейването на гама -лъчението.
Лий Смолин
Атомы пространства и времени (modcos.com)
