Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Taking Other Roads to Quantum Gravity

Выбирая другие пути к квантовой гравитации

Однако струнные теоретики любят указывать, что у них есть наиболее разработанная теория для объединения теории относительности и квантовой физики (иногда они даже похожи на невежд и не знают про альтернативы), а иногда, кажется, что почти каждый физик придумал решения для объединения этих теорий — просто они не имеют поддержки, которая есть у струнных теоретиков.

Большинство из этих альтернативных теорий начали с той же идеи, что и петлевая квантовая гравитация — якобы пространство сделано из маленьких, дискретных элементов, которые как-то взаимодействуют и являются причиной самого пространства-время, которое мы знаем и любим (вообще-то говоря, так и есть).

Несмотря на тот факт, что ученые знают мало об этих элементах пространства, некоторые теоретики могут анализировать, как они могли бы себя вести и использовать эту информацию для построения полезных моделей.

Вот несколько примеров таких других подходов квантовой гравитации:

• Причинная динамическая триангуляция (ПДТ): ПДТ модели пространства-время, будучи составлены из крошечных строительных блоков, названы 4-симплексом, которые являются идентичными и могут перестраивать сам себя в различные конфигурации кривизны.

• Квантовая Эйнштейновская гравитация (или "асимптотическая безопасность"): Квантовая Эйнштейновская гравитация предполагает, что есть точка, где "приближение" на пространстве-время предотвращает увеличивающуюся силу гравитации.

• Квантовые графы: в модели квантовых графов, гравитация не существует в самые ранние моменты вселенной, потому что пространство само по себе не существует на масштабах малой длины и высокой энергии, что присутствовали в ранней вселенной.

• Внутренняя относительность: эта модель предсказывает, что вы можете начать со случайного распределения квантовых спинов и получить законы общей теории относительности чтобы выйти из нее.

Конечно, любой из этих подходов мог бы развивать теорию струн или петлевую квантовую гравитацию, вместо ответвления в новое направление.

Некоторые из этих принципов могут оказаться плодотворными, но только когда применены в рамках одной из других теорий.

Только время покажет, какие догадки, если таковые имеются, придут из них и смогут ли они быть применены для получения важных результатов.

Причинная(каузальная) динамическая триангуляция (ПДТ): если у вас есть время, то у меня есть пространство

В подходе причинной динамической триангуляции берут составные элементы пространства, названные 4-симплексами (что-то вроде многомерных треугольников), и используют их, чтобы сконструировать геометрию пространства-время.

Результатом является последовательность геометрических шаблонов, которые причинно связаны в последовательность, где одна конструкция следует за другой (другими словами, один шаблон является причиной другого шаблона).

Эта система была разработана Ренатой Лолл из Утрехтского университета что в Нидерландах, а также ее коллегами Яном Амбьорном и Ежи Юркевичем.

Один из самых важных аспектов ПДТ это то, что время становится необходимым компонентом пространства-время, так Лолл включает причинно следственную связь как ключевую часть теории.

Теория относительности говорит нам, что время заметно отличается от пространства (как и упомянуто в главе 13, измерение времени имеет знак минус), но Стивен Хоккинг и другие предложили, что различие между пространством и временем могло бы быть проигнорировано.

Лолл затем берет ее причинно следственные конфигурации 4-симплексов и суммирует все возможные конфигурации фигур.

(Фейнман использовал похожий подход в квантовой механике, суммирование всех возможных путей, чтобы получить квантово физические результаты). Результатом является классическая геометрия пространства-время!

Если все верно, то ПДТ покажет, что невозможно игнорировать различие между пространством и временем.

Причинно-следственная связь изменений в геометрии пространства-время — другими словами, "время" часть пространства-время — совершенно необходима, чтобы получилась классическая геометрия пространства-время, которая находится под управлением общей теории относительности и совпадает с тем, что наука знает о стандартных космологических моделях.

На самых крошечных масштабах, однако, ПДТ показывает, что пространство-время всего лишь 2-мерно.

Модель превращается во фрактальный шаблон, где структуры повторяют себя на все меньших и меньших масштабах, и нет никаких доказательств, что настоящее пространство-время ведет себя также.

Самый большой недостаток ПДТ по сравнению с теорией струн это то, что она не говорит нам ничего, откуда появляется материя, тогда как материя возникает естественным путем в теории струн из взаимодействия фундаментальных струн.

Квантовая Эйнштейновская гравитация: слишком мал, чтобы тащить

Квантовая Эйнштейновская гравитация, разработанная Мартином Рейтером из Майнцского университета, что в Германии, пытается применить процессы квантовой физики, что задействованы на другие силы, к гравитации.

Рейтер считает, что на малых масштабах, гравитация может иметь граничную точку, где сила гравитации прекращает увеличиваться.

(Эта идея была предложен Стивеном Вейнбергом в 1970х, под более общим названием как "асимптотическая безопасность.")

Одной из причин полагать, что гравитация перестает увеличиваться на малых масштабах это то, что квантовая теория поля говорит нам, что другие силы делают.

На очень малых масштабах, даже сильное ядерное взаимодействие спадает до нуля.

Это называется асимптотической свободой, и ее открытие принесло Дэвиду Гроссу, Дэвиду Политцеру и Франку Вилчеку Нобелевскую премию в 2004.

Сила гравитации не стремилась бы к нуля, а скорее к какой-то конечной силе (сильнее, чем мы обычно наблюдаем), и эта идея известна как асимптотическая безопасность.

У Вейнберга и других не было возможности заниматься этой идеей на тот момент времени, потому что математические инструменты для вычисления граничной точки для гравитации в общей теории относительности не существовали до тех пор, пока Рейтер не разработал их в 1990х.

Хотя метод является приблизительным, у Рейтера есть большая уверенность.

Квантовая Эйнштейновская гравитация, также как и ПДТ предлагает фрактальные шаблоны вместо маломасштабного пространства-время, и количество измерений уменьшает до двух.

Сам же Рейте отметил, что это могло бы означать, что его подход фундаментально эквивалентен ПДТ, потому что они оба имеют довольно отличительные предсказания на малых масштабах.

Идея асимптотической безопасности на самом деле очень консервативное решение проблемы квантовой гравитации.

В отличие от других подходов, которые привносят совершенно новую физику, которая бы приняла на себя общую теорию относительности на высоких энергиях (или, равносильно, на малых расстояниях), она предлагает четко определенную и сильно взаимодействующую теорию гравитации на высоких энергиях где обычна общая теория гравитации является просто расширением, что привносит дополнительные взаимодействия гравитона.

Квантовые графы: отсоединенные узлы

Квантовые графы были разработаны Фотини Маркополо из интститута Периметра.

В некотором смысле, это петлевая квантовая гравитация доведенная до крайности — при крайне высоких энергиях все, что существует, это сеть узлов.

Эта модель основана на предположении Джона Арчибальда Уилера о догеометрической фазы вселенной, которое Маркополо приняла буквально.

Все Узлы в догеометрической фазе соприкасались бы, но с охлаждением вселенной, они отсоединялись бы друг от друга и становились раздельными, что приводит к пространству, которое мы наблюдаем сейчас.

(Физики, работающие над теорией струн, также обнаружили этот вид догеометрической фазы, так что это присуще не только подходу Маркопола.)

Так же возможно, что это могло бы объяснить проблему горизонта, проблема, где отдельные части вселенной, похоже имеют одинаковую температуру.

В модели квантовых графов, все точки раньше были ориентированно связаны, так что инфляция оказывается необязательной.

(Смотрите главу 9 для подробной информации о проблеме горизонта и как инфляция ее решает.)

В настоящий момент, инфляция гораздо больше четко определенная теория, но Маркополо работает над квантовыми графами, чтобы конкурировать с ней.

Институт Периметра

Если вы последуете за теоретической физикой, то совсем скоро вы услышите о Институт теоретической физики Периметр, что находится в Ватерлоо, Онтарио, Канада.

Институт Периметра был основан в 1999 году Майком Лазаридисом, основателем и со-исполнительным директором Research In Motion, производители BlackBerry портативных устройств.

Лазаридис решил поспособствовать исследованиям и инновациям в Канаде открыв институт Периметра, который полностью посвящен исследованиям в теоретической физике.

Много выдающихся критиков теории струн, которые работают над другими подходами — Ли Смолин, Джон Моффат, Фотини Маркополо и другие — называют его домом, так что легко поверить, что институт Периметра ищет анти-струнных теоретиков.

На самом деле, Нил Турок их теперешний директор,

космолог и соавтор экпиротической модели, которая основана на принципах теории струн.

Институт Периметра добился неожиданного успеха, нанимая Стивена Хоккинга как Заслуженного Заведующего Кафедрой, следом за множеством других многообещающих физиков.

Цель института Периметра заключается во способствовании инновациям, и физики работают в ряде областей: космология, физика элементарных частиц, квантовая гравитация, квантовая информационная теория и суперструнная теория.

Это единственное место, где струнные теоретики и лидеры из других подходов в квантовой гравитации регулярно работают вместе в одном институте.

Больше информации об институте периметра можно найти в www.perimeterinstitute.ca.

Внутренняя относительность: вкручивание вселенной в существование

Последняя модель квантовой гравитации, внутренняя гравитация, может оказаться наиболее амбициозной, так Олаф Дрейер из МТИ считает, что случайное распределение квантовых спинов может в конечном счете привести к нашей всей вселенной.

Для этой работы, Дрейер рассматривает точку зрения наблюдателей внутри системы.

Подход показал, что эти наблюдатели увидели бы своими глазами некоторые аспекты специальной теории относительности, такие как релятивистское замедление времени и сокращение длинны, но Дрейер все еще работают над тем, чтобы выбросить общую теорию относительности из уравнений.

(Разве это не все?)

Пространство-время и материя являются результатом возмущения системы, которая является одной из причин, на которую надеется Дрейер.

Он считает, что причина того, что квантовая физика дает некорректные предсказания для космологической константы появляется из-за разделения между пространством-временем и материей.

Внутренняя относительность связывает два понятия так, что вычисления должны быть выполнены раздельно.

Дрейер предсказал, что его модель показала бы отсутствие гравитационных волн в космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ), в то время как инфляционная теория приводит к КМФИ гравитационным волнам.

Есть надежда, что космическая обсерватория Планк сможет обнаружить какие-либо гравитационные волны в КМФИ — или не обнаружить, как и предсказывает теория Дрейера.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145459

Переводчики: Swarlz