09.12.2018
Редакция Naked Science
14

Петлевая квантовая гравитация: пространство-время, сшитое из кусочков

3.5

В конце XX века группа физиков-теоретиков разработала теорию, описывающую пространство-время как квантовый феномен. Наряду с теорией струн теория петлевой квантовой гравитации пытается примирить квантовую механику с гравитацией.

Петлевая квантовая гравитация
©Wikipedia

В современной физике есть две теории, невероятно точно описывающие крупномасштабные явления и то, что происходит в микромире: Общая теория относительности и Стандартная модель квантовой механики соответственно. Но насколько бы точной и удивительной каждая из этих двух теорий ни была, они не очень хорошо сотрудничают друг с другом.

Сам Альберт Эйнштейн — автор Общей теории относительности — до конца жизни был занят работой над теорией, которая объединила бы квантовую механику и гравитацию. Как известно, у него ничего не вышло. Многие современные физики-теоретики — от Шона Кэрролла до Брайана Грина — считают, что разработка тестируемой, фальсифицируемой и доказуемой теории квантовой гравитации откроет новые горизонты для науки и поможет ответить на множество вопросов: например, что происходит за горизонтом событий черных дыр?

Среди множества подходов к квантовой гравитации самыми успешными направлениями считаются теория струн и петлевая квантовая гравитация. Если о теории струн знают и о ней говорят, то ее главный конкурент — петлевая квантовая гравитация — пока не получил такой широкой огласки.

Ли Смолин / © Karol Jarolchowski/Polityka

Петлевая квантовая гравитация представляет собой теорию, пытающуюся выразить современную теорию гравитации (то есть Общую теорию относительности, ОТО) в квантованном формате. Подход этой теории заключается в восприятии пространства-времени как чего-то разбитого на дискретные части. Немало ученых рассматривают петлевую квантовую гравитацию как самую органично разработанную, не считая теории струн.

Как появилась теория петлевой квантовой гравитации

Принято считать, что петлевая квантовая гравитация берет начало в 1986 году, когда Абэй Аштекар разработал квантовую формулировку уравнений поля Общей теории относительности. В 1988-м физики Ли Смолин и Карло Ровелли расширили этот подход — и в 1990 году показали, что при помощи него гравитация квантуется и это можно увидеть при помощи спиновых сетей Роджера Пенроуза.

Карло Ровелли на лекции в Риме / © Marco Tambara/Wikipedia

Вкратце: подход к петлевой квантовой гравитации через спиновую сеть показывает пространство-время как набор частей, соединенных друг с другом. Это можно представить в виде точек (или узлов), представляющих части пространства-времени, соединенные линиями. Иначе говоря, пространство-время можно рассматривать как сеть квантовых узлов. Гладкая структура пространства-времени, описываемая ОТО, становится такой, когда вы «отдаляетесь» от квантовых масштабов до достаточно крупных.

К чему приводит петлевая квантовая гравитация

Как и со всей теоретической физикой, исследующей этот вопрос, физика и математика на этом уровне невероятно сложны. Относительно ценности петлевой квантовой гравитации ведется немало споров, особенно если сравнивать ее с другими подходами — вроде той же теории струн.

Петлевая квантовая гравитация достигла успеха в следующем:

1. Квантование трехмерной пространственной геометрии ОТО;

2. Возможность вычислить энтропию черных дыр;

3. Предсказание Большого отскока в момент Большого взрыва вместо бесконечной сингулярности.

Энтропия черной дыры в петлевой квантовой гравитации / © John Baez

Однако пока что это успехи в области математической физики, так как экспериментально они еще не были подтверждены. А в случае с Большим отскоком — об экспериментальных подтверждениях не может быть и речи.

Предсказание, связанное с энтропией черных дыр, считается самым большим достижением теории. Считается, что петлевая квантовая гравитация предоставляет точный способ описания квантовых состояний черной дыры, а также совпадает с предсказаниями об энтропии черных дыр, сделанными Стивеном Хокингом и другими физиками в 1970-х.

Абэй Аштекар во время лекции / © University of Pittsburg Преимущества петлевой квантовой гравитации

В пользу петлевой квантовой гравитации есть серьезный аргумент. Дело в том, что ее сторонники рассматривают ее как конечную теорию. Другими словами, сама теория петлевой квантовой гравитации не допускает бесконечностей. Один из главных ее исследователей Ли Смолин в своей книге «Неприятности с физикой» описывает конечность теории тремя пунктами:

Области и объемы в петлевой квантовой гравитации — всегда конечные дискретные единицы;

В модели петлевой квантовой гравитации Бэрретта — Крейна (пространство-время как квантовая пена) вероятности развития квантовой гравитации в разные истории всегда конечны;

Включение гравитации в теорию петлевой квантовой гравитации с теорией вещества — вроде Стандартной модели — не содержит бесконечных выражений. Если гравитацию исключить, придется потрудиться, чтобы избежать их.

Проблемы петлевой квантовой гравитации

Многие недостатки петлевой квантовой гравитации — те же, что и у теории струн. Их предсказания чаще всего связаны с явлениями, которые пока что нельзя протестировать (хотя по части петлевой квантовой гравитации возможность испытать ее экспериментально представляется несколько более вероятной, чем в случае с теорией струн).

Кроме того, непонятно, можно ли утверждать, что петлевая квантовая гравитация более фальсифицируема, чем теория струн. Например, открытие суперсимметрии или дополнительных измерений не станет опровержением петлевой квантовой гравитации, как и их отсутствие не докажет ошибочность теории струн.

Кванты пространства в представлении Карло Ровелли / © Carlo Rovelli/Class.Quant.Grav. 28 (2011)

Самая большая проблема петлевой квантовой гравитации заключается в том, что этой теории еще предстоит показать, каким образом можно взять квантованное пространство и извлечь из него гладкое пространство-время. К тому же некоторые критики теории считают сам способ добавления времени в спиновую сеть надуманным.

Квантовая теория пространства-времени в петлевой квантовой гравитации, по сути, — квантовая теория пространства. Спиновая сеть, описанная теорией, не способна включить в себя время.

Некоторые ученые, занимающиеся этой теорией, вроде того же Ли Смолина, считают, что время в итоге станет необходимым и фундаментальным компонентом теории. В то же время Карло Ровелли уверен, что она в итоге покажет, что времени как такового не существует и что, по сути, это возникающий феномен.

Остается запастись терпением и ждать

Некоторые физики-теоретики, включая Брайана Грина и Ли Смолина, высказывали предположение о том, что петлевая квантовая гравитация и теория струн окажутся двумя способами описания одной и той же фундаментальной физической структуры. Ученые надеются, что исследование двух этих областей в итоге поможет разработать более полную фундаментальную теорию, описывающую основополагающую квантовую теорию, которая, в свою очередь, приведет к успешной единой теории поля, способной полностью примирить ОТО со Стандартной моделью квантовой механики.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Позавчера, 12:24
Ольга Иванова

Шведские психологи показали: те, кто доверяет астрологии, как правило, обладают более низким уровнем интеллекта и большей самовлюбленностью по сравнению с теми, кто в нее не верит.

Позавчера, 15:17
Василий Парфенов

Польские ученые-полярники засняли редкое событие — охоту полярного медведя не на морскую добычу, а наземную. Правда, молниеносная атака все равно произошла в воде. Подобное поведение северного хищника впервые удалось запечатлеть на видео.

Позавчера, 05:30
Мария Азарова

Ученые из США представили альтернативный молекулярный механизм образования меланоцитарного невуса, который согласуется как с экспериментальными, так и с клиническими наблюдениями.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

25 ноября
Илья Ведмеденко

Российские инженеры спроектировали самолет для межконтинентальных полетов в стратосфере. Его можно назвать условным аналогом британского Skylon.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

3 ноября
Ольга Иванова

Исследований на эту тему, как ни странно, мало, хотя предположений — великое множество. По мнению ученых из Венгрии, одна из причин такого поведения — высокая концентрация внимания на речи хозяина, а еще это означает, что собака слышит знакомое слово.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

2 ноября
Мария Азарова

Авторы новой работы на примере Шотландии определили характеристики людей, умерших от Covid-19, хотя они были привиты, а также выявили основные предикторы смертности.

[miniorange_social_login]

Комментарии

14 Комментариев

DELETED
3 недели назад
-
0
+
Из моей статьи "Тахионная конденсация квантовой пены в виде струнных кротовых нор и холодная трансмутация ядер" однозначно следует, что объединяющая теория-это струнные кротовые норы (СКН) или струнная петлевая квантовая гравитация.
    Из СКН, являющихся тёмной материей, формируется спиновая пространственно-временная сеть. СКН безмассовые, т. к. в составе имеется отрицательная масса скалярного гравитона, которая компенсирует положительную часть солитонной массы. Ввиду того, что образование безмассовое, оно движется с релятивисткой скоростью.
привет от валерианства тихого дона (теории всего ) с наступающим новым витком земляне вокруг нашей звезды. Решив кошмар Эйнштейна Бора валерианство померило всех и струн петель и менделеева с ньютоном поскольку всё есть спин спирали да и только что замкнутые на себя как атомы выходят что нет субатомный эфир частотный константа главная магнитоэлектрии есть формология движения её всё выделяющее частоту всегда волносферично в виде шара , как для наглядности поля земля хоть древо вы возьмите и каждый атом , клетка да и социума землян ячейка всё в формологии движения единых орбиталий . и темная энергия всего лишь магнитоэлектрическая суть. А сингулярности кольцо вселенной наш космос генерирует поныне и сейчас?
Про эти квантовые колечки советско-российские учёные в 80-90 тоже много думали. Есть ролик на ютубе созданный ещё в начале 90-ых про пространство состоящее из таких сплетённых колечек.
wig
14.12.2018
-
0
+
Гравитационное поле имеет не только скалярный потенциал (нормальную составляющую), но и векторный потенциал (вихревую составляющую) rot A ne 0, а генератором вихрей является - градиент плотности. Вертикальный градиент плотности вызывает тангенциальные силы, приводящий различные среды к вращению в горизонтальной плоскости, а горизонтальный градиент плотности вызывает их вертикальные движения (подъём, погружение). Это фундаментальное свойство гравитационного поля. Во всех пограничных слоях разных сред (оболочек Земли) существует скачёк плотности, который активизирует (генерирует) тангенциальные силы гравитационного поля, а те в свою очередь формируют вихревые потоки. Менее плотные верхние слои плывут по нижним слоям с вращением по часовой стрелке, формируя антициклонический вихрь. Движение этих потоков осложняется рельефом нижнего более плотного слоя. Такие потоки - придонные течения существуют в атмосфере, реках, озёрах, морях и океанах. Поэтому причиной появления (действия) силы Кориолиса является не вращение Земли, а тангенциальная составляющая гравитационного поля, которая всегда существуют, но начинают действовать (работать) при появлении вертикального градиента плотности. Это можно подтвердить с помощью простого примера. В ясную морозную погоду, когда влажность воздуха минимальна, а его плотность максимальная дым поднимаясь из печной трубы буквально вкручивается в воздух, но если на следующий день при повышение температуры, а значит и влажности воздуха, плотности их становятся близкими, то он (дым) стелется по земле успевая только чуть подняться над трубой. Это говорит о том, что причиной такого поведения дыма является разность плотности дыма и воздуха, чем она больше, тем с большей скоростью и выше поднимается дым из трубы.
13.12.2018
-
0
+
К сожалению, ни в ТО ни в КМ нет физики - одна математика. А математика зависит только от первоначального набора аксиом. Например геометрии Евклида, Лобачевского и Римана отличаются всего одной аксиомой. Но вся суть в том, что Видимая Вселенная является Евклидовой.
Верно только то описание ВСЕЛЕННОЙ которое позволяет объяснять все физические явления , происходящие в ней, а все эти теории струн,петель ,квантов,кварков, и прочей ерунды имеют столько нестыковок и условностей.Большинство теорий многие физические процессы представляют как линейные векторные величины, НО МЫ ЖЕ ЖИВЕМ В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ. На пример: гравитация рассматривается как векторная величина, а это не правильно.Гравитация- это трехмерная величина,зависящая от расстояния, площади и объема. А что такое эфир, а что такое свет, что такое световая скорость, НО самый интересный вопрос в физике, который не отражает совершенно истины- это оптика. И заблуждение начинается прямо со школьной скамьи, где рассказывают как луч света попадает вам прямо в глаз.
-
0
+
А ещё математическими расчетами физику описывают и законы физики доказывают... Математику можно выразить через двоичный код, где каждый символ это закон, элементарное.
    -
    0
    +
    Нужно дописать, что законом, элементарным (двоичный код математики) мы обозначаем физические объекты, явления, процессы... Константы как скорость света.
-
0
+
Глядя на комментарии, мне кажется у людей есть ответ на то, почему существует равенство??? Ученые уже объясняли? А потом можно будет говорить о зарядах, законах сохранения энергии и его замкнутой системе...
1
2

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: