Kvanttipainovoima

Kvanttigravitaatio  on teoreettisen fysiikan tutkimuslinja , jonka tarkoituksena on kvanttikuvaus gravitaatiovuorovaikutuksesta (ja jos onnistuu, painovoiman yhdistäminen kolmen muun perusmallin kuvaaman perusvuorovaikutuksen kanssa , eli rakentamisen kanssa niin sanotusta " kaiken teoriasta ").

Luontiongelmat

Aktiivisesta tutkimuksesta huolimatta kvanttigravitaation teoriaa ei ole vielä rakennettu. Suurin vaikeus sen rakentamisessa on siinä, että kaksi fyysistä teoriaa, joita se yrittää yhdistää - kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria (GR) - perustuvat erilaisiin periaatteisiin. Näin ollen kvanttimekaniikka on muotoiltu teoriaksi, joka kuvaa fysikaalisten järjestelmien (esimerkiksi atomien tai alkuainehiukkasten) ajallista kehitystä ulkoisen aika-avaruuden taustalla . Yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole ulkoista aika-avaruutta - se itsessään on teorian dynaaminen muuttuja, joka riippuu siinä olevien klassisten järjestelmien ominaisuuksista.

Kvanttigravitaation siirtymisessä ainakin on välttämätöntä korvata systeemit kvanttijärjestelmillä (eli suorittaa kvantisointi ), kun taas Einstein-yhtälöiden oikeasta puolesta - aineenergia-momenttitensorista - tulee kvanttioperaattori ( alkuainehiukkasten tensorienergia-liikemäärätiheys). Tuloksena oleva yhteys vaatii jonkinlaista kvantisointia itse aika-avaruusgeometriaan, ja tällaisen kvantisoinnin fyysinen merkitys on täysin epäselvä, eikä sen suorittamiseen ole onnistunutta johdonmukaista yritystä [1] [2] . Katso avaruus-aikageometrian kvantisoinnista myös artikkeli Planckin pituus .

Jopa yritys kvantisoida linearisoitua klassista gravitaatioteoriaa (GR) kohtaa lukuisia teknisiä vaikeuksia - kvanttigravitaatio osoittautuu ei- renormalisoitavaksi teoriaksi, koska gravitaatiovakio on ulottuvuussuure [3] [4] . Nimittäin yksikköjärjestelmässä gravitaatiovakio on mittavakio massan käänteisen neliön kanssa, samoin kuin heikkojen virtojen vuorovaikutuksen Fermi-vakio , jossa  on protonin massa [5] .

Tilannetta pahentaa se, että suorat kokeet kvanttipainovoiman alalla ovat itse gravitaatiovuorovaikutusten heikkouden vuoksi edelleen nykytekniikan ulottumattomissa. [6] Tässä suhteessa kvanttigravitaation oikeaa muotoilua etsittäessä on toistaiseksi turvauduttava vain teoreettisiin laskelmiin.

Painovoimaa yritetään kvantisoida geodynaamisen lähestymistavan ja funktionaalisten integraalien menetelmän perusteella [7] .

Muita lähestymistapoja painovoiman kvantisoinnin ongelmaan on otettu supergravitaation ja diskreetin aika-avaruuden teorioissa [5] .

Lupaavat ehdokkaat

Kaksi pääsäikettä, jotka yrittävät rakentaa kvanttigravitaatiota, ovat merkkijonoteoria ja silmukkakvanttigravitaatio .

Ensimmäisessä niistä ilmestyy hiukkasten ja tausta-avaruus-ajan sijasta jouset ja niiden moniulotteiset vastineet, braanit . Korkeadimensionaalisille ongelmille braanit ovat korkeadimensionaalisia hiukkasia, mutta niiden sisällä liikkuvien hiukkasten kannalta ne ovat aika-avaruusrakenteita .

Toisessa lähestymistavassa yritetään muotoilla kvanttikenttäteoria viittaamatta aika-avaruuden taustaan; tila ja aika koostuvat tämän teorian mukaan erillisistä osista. Nämä pienet avaruuden kvanttisolut ovat tietyllä tavalla yhteydessä toisiinsa siten, että ne luovat pienissä aika- ja pituusasteikoissa värikkään, diskreetin avaruuden rakenteen ja suuressa mittakaavassa sujuvasti muuttuvat jatkuvaksi tasaiseksi aika-avaruudeksi. Vaikka monet kosmologiset mallit voivat kuvata maailmankaikkeuden käyttäytymistä vain Planckin ajalta alkuräjähdyksen jälkeen , silmukkakvanttigravitaatio voi kuvata itse räjähdysprosessia ja jopa katsoa pidemmälle. Silmukan kvanttigravitaation avulla voimme kuvata kaikki vakiomallin hiukkaset .

Suurin ongelma tässä on koordinaattien valinta. Yleinen suhteellisuusteoria on mahdollista muotoilla ei-koordinaattisessa muodossa (esimerkiksi käyttämällä ulkoisia muotoja), mutta Riemannin tensorin laskelmat suoritetaan vain tietyssä metriikassa.

Toinen lupaava teoria on kausaalinen dynaaminen triangulaatio . Siinä avaruus-aika- monisto on rakennettu alkeellisista euklidisista yksinkertaisuksista ( kolmio , tetraedri , pentachore ) kausaalisuuden periaatetta huomioiden . Neliulotteisuutta ja pseudoeuklidista aika-avaruutta makroskooppisessa mittakaavassa ei ole postuloitu siinä, vaan ne ovat seurausta teoriasta.

Muut lähestymistavat

Kvanttigravitaatioon on olemassa lukemattomia lähestymistapoja. Lähestymistavat vaihtelevat muuttumattomina pysyvien ja muuttuvien ominaisuuksien mukaan [8] [9] . Esimerkkejä:

• Akustiset metriset ja muut analogiset painovoimamallit
• Oireeton turvallisuus
• Kausaalinen dynaaminen kolmio [10]
• Kausaaliset joukot [11]
• Ryhmäkenttäteoria (katso Approaches to Quantum Gravity. Toward a New Understanding of space, Time and Matter [12] ja siinä olevat viittaukset)
• MacDowell-Mansouri toiminta
• Ei-kommutatiivinen geometria
• Polkuintegraalimalli kvanttikosmologia [ 13]
• Regge-laskenta
• Integraalimenetelmä [14]
• String Fluid Network (johtien ±2 viritteen aukottomaan helisiteettiin ilman muita aukotonta herätteitä [15] )
• Superfluid-tyhjiö tai BEC- tyhjiöteoria
• supergravitaatio
• Twistor-mallit (katso R. Penrosen kirjan "The Way to Reality, or the Laws Governing the Universe. A Complete Guide" [16] luku 33 ja siinä annetut viitteet)
• Digitaalinen fysiikka [17]
• Jakiva-Teitelboimin painovoima

Kokeellinen vahvistus

Ensimmäisiä kokeita tehdään painovoiman kvanttiominaisuuksien paljastamiseksi tutkimalla hyvin pienten massiivisten kappaleiden gravitaatiokenttää, jotka voidaan siirtää kvantti superpositiotilaan [18] .

Katso myös

• Teoria kaikesta
• Säieteoria
• M-teoria
• Kierrä kvanttigravitaatio
• Kvanttikenttäteoria kaarevassa aika-avaruudessa
• Modernin fysiikan ratkaisemattomia ongelmia

Muistiinpanot

1. ↑ Yukawa H. Fysiikan luentoja. - M., Energoizdat, 1981. - s. 78-81
2. ↑ Lisäksi naiivi "hilalähestymistapa" avaruus-aikakvantisoinnissa, kuten käy ilmi, ei salli oikeaa kulkua mittarikenttien teorian rajalle, kun hilaaskel pyrkii nollaan, mikä havaittiin 1960-luvulla. Bryce DeWitt ja se otetaan nyt laajalti huomioon tehtäessä hilalaskelmia kvanttikromodynamiikassa .
3. ↑ Frolov V.P. Painovoiman kvanttiteoria (perustuu II International Seminar on the Quantum Theory of Gravity, Moskova, 13.–15. lokakuuta 1981 materiaaleihin) Arkistokopio , päivätty 13. syyskuuta 2013, Wayback Machine , UFN , 1982, voi. 138, s. 151.
4. ↑ Weinberg S. Gravity and Cosmology - M.: Mir , 1975. - S. 307.
5. ↑ 1 2 Khlopov Yu. M. Gravitaatiovuorovaikutus // Physical Encyclopedic Dictionary. - toim. A. M. Prokhorova  - M., Great Russian Encyclopedia, 2003. - ISBN 5-85270-306-0 . – Levikki 10 000 kappaletta. - Kanssa. 137
6. ↑

   Ja jos haluaisimme edetä "Planck-energian" GeV:hen (tässä vaiheessa kvanttigravitaatiovaikutukset tulevat merkittäviksi), meidän olisi rakennettava kiihdytin, jonka renkaan pituus olisi noin 10 valovuotta.

   Sisakyan A.N. Valitut luennot hiukkasfysiikasta. - Dubna, JINR, 2004. - s. 95
7. ↑ Ivanenko D.D. , Sardanishvili G.A  .. Painovoima. — M. : Pääkirjoitus URSS, 2004. — 200 s. - 1280 kappaletta.  — ISBN 5-354-00538-8 .
8. ↑ Isham, Christopher J.Kanoninen painovoima: Klassisesta  kvanttiin (uuspr.) / Ehlers, Jürgen; Friedrich, Helmut. - Springer, 1994. - ISBN 3-540-58339-4 .
9. ↑ Sorkin, Rafael D.Forks in the Road, matkalla kvanttipainovoimaan  (uuspr.)  // International Journal of Theoretical Physics. - 1997. - T. 36 , nro 12 . - S. 2759-2781 . - doi : 10.1007/BF02435709 . - . - arXiv : gr-qc/9706002 .
10. ↑ Loll, Renate. Diskreetit lähestymistavat kvanttigravitaatioon neljässä ulottuvuudessa  // Living Reviews in Relativity  : Journal  . - 1998. - Voi. 1 . - s. 13 . - . - arXiv : gr-qc/9805049 .
11. ↑ Sorkin, Rafael D.Luentoja  kvanttigravitaatiosta (uuspr.) / Gomberoff, Andres; Marolf, Donald. - Springer, 2005. - ISBN 0-387-23995-2 .
12. ↑ Oriti, 2009 .
13. ↑ Stephen Hawking . 300 vuotta gravitaatiota  (uuspr.) / Hawking, Stephen W.; Israel, Werner. - Cambridge University Press , 1987. - S. 631-651. - ISBN 0-521-37976-8 . .
14. ↑ Klimets AP, Philosophy Documentation Center, Western University-Canada, 2017, s. 25-32 . Haettu 25. kesäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 1. heinäkuuta 2019. (määrätön)
15. ↑ Levin M., Wen Xiao-Gang . . Topologisen järjestyksen havaitseminen maatilan aaltofunktiossa // Physical Review Letters , 2006, 96 (11).  - P. 110405. - doi : 10.1103/PhysRevLett.96.110405 .
16. ↑ Penrose, 2007 .
17. ↑ Clara Moskowitz Tangled in Space Time Arkistoitu 7. heinäkuuta 2017 Wayback Machinessa // Tieteen maailmassa . - 2017. - Nro 5-6. - S. 118-125.
18. ↑ Tim Folger. Kvanttigravitaatio laboratoriossa // Tieteen maailmassa . - 2019. - Nro 5-6 . - S. 100-109 .

Kirjallisuus

• Gorelik G. E. Matvey Bronshtein ja kvanttigravitaatio. Ratkaisemattoman ongelman 70-vuotispäivää. Arkistoitu 17. kesäkuuta 2012 Wayback Machinessa // Uspekhi fizicheskikh nauk , vol. 175, nro 10 (lokakuu 2005).
• Penrose  R. Polku todellisuuteen tai maailmankaikkeutta hallitsevat lait. Täydellinen opas = Tie todellisuuteen: Täydellinen opas maailmankaikkeuden lakeihin / Per. englannista. A. R. Logunov, E. M. Epshtein. - M. -Izhevsk: IKI , tutkimuskeskus "säännöllinen ja kaoottinen dynamiikka", 2007. - 912 s. - ISBN 978-5-93972-618-4 .
• Lähestymistapoja kvanttigravitaatioon. Kohti uutta tilan, ajan ja aineen ymmärtämistä / Toim. kirjoittanut D. Oriti. - Cambridge: Cambridge University Press , 2009. - xix + 583 s. — ISBN 978-0-521-86045-1 .

Linkit

• Quantum Gravity Arkistokopio 6. toukokuuta 2013 Wayback Machinessa // D. I. Kazakovin luento PostNauka - projektissa (13.11.2012)
• Paul Shellard et al. Quantum Gravity ( Quantum Gravity arkistoitu 2012-02-10 ). // Per. englannista. V. G. Misovets. Linkki haettu 08:45 23.11.2007 (UTC).
• Smolin, Lee . Fysiikan ongelmat: String Theory, The Decline of Science and Beyond Arkistoitu 1. helmikuuta 2014, Wayback Machinessa
• Merali, Zeeya. Ajan ja tilan erottaminen. Uusi kvanttiteoria hylkää Einsteinin avaruus-ajan Arkistoitu 3. heinäkuuta 2011 Wayback Machinessa // Scientific American. (joulukuu 2009).