Teoria gravitației cuantice bucle în termeni simpli. Gravitația cuantică în buclă și teoria corzilor

Fizicianul teoretician Sabine Hossenfelder din Stockholm a considerat că doi candidați alternativi pentru o „teorie a totul” (teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă) sunt fețele aceleiași monede. În opinia ei, gravitația cuantică în buclă a făcut acum mari progrese. Omul de știință a vorbit despre acest lucru pe paginile publicației online Quanta Magazine.

Teoria corzilor

Teoria corzilor este o ramură a fizicii teoretice care studiază dinamica interacțiunii nu a particulelor punctiforme, ci a obiectelor extinse unidimensionale, așa-numitele șiruri cuantice. Teoria corzilor combină ideile mecanicii cuantice și teoria relativității, astfel încât o viitoare teorie a gravitației cuantice poate fi construită pe baza ei.

Teoria corzilor se bazează pe ipoteza că toate particulele elementare și interacțiunile lor fundamentale apar ca urmare a oscilațiilor și interacțiunilor corzilor cuantice ultramicroscopice pe scale de ordinul lungimii Planck de 10-35 m. Această abordare, pe de o parte, evită astfel de dificultăți ale teoriei câmpurilor cuantice, cum ar fi renormalizarea și, pe de altă parte, duce la o privire mai profundă asupra structurii materiei și a spațiului-timp. Teoria cuantică a corzilor a apărut la începutul anilor 1970 ca urmare a înțelegerii formulelor lui Gabriele Veneziano asociate cu modelele de corzi ale structurii hadronilor. Mijlocul anilor 1980 și mijlocul anilor 1990 au fost marcate de dezvoltarea rapidă a teoriei corzilor; era de așteptat ca în viitorul apropiat, pe baza teoriei corzilor, așa-numita „teorie unificată” sau „teoria tuturor lucrurilor” să fie formulat, căutarea pentru care Einstein a petrecut zeci de ani fără succes. Dar, în ciuda rigoarei matematice și a integrității teoriei, opțiunile pentru confirmarea experimentală a teoriei corzilor nu au fost încă găsite. După ce a apărut pentru a descrie fizica hadronilor, dar nu tocmai potrivită pentru aceasta, teoria sa găsit într-un fel de vid experimental pentru a descrie toate interacțiunile.

Una dintre principalele probleme atunci când încercăm să descriem procedura de reducere a teoriilor corzilor de la dimensiunea 26 sau 10 la fizica energiei joase a dimensiunii 4 este numărul mare de opțiuni pentru compactarea dimensiunilor suplimentare în varietati și orbifolduri Calabi-Yau, care sunt probabil cazuri limitative speciale ale spațiilor Calabi-Yau . Numărul mare de soluții posibile de la sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980 a creat ceea ce este cunoscut sub numele de „problema peisajului”, determinând unii oameni de știință să se întrebe dacă teoria corzilor merită statut științific.

În ciuda acestor dificultăți, dezvoltarea teoriei corzilor a stimulat dezvoltarea formalismelor matematice, în principal geometria algebrică și diferențială, topologia și, de asemenea, a făcut posibilă o mai bună înțelegere a structurii teoriilor anterioare ale gravitației cuantice. Dezvoltarea teoriei corzilor continuă și se speră că elementele lipsă din teoriile corzilor și fenomenele corespunzătoare vor fi găsite în viitorul apropiat, inclusiv ca urmare a experimentelor de la Large Hadron Collider.

Teoria gravitației cuantice în buclă

Gravitația cuantică în buclă este una dintre teoriile gravitației cuantice.

În teoria gravitației cuantice, spațiul neted și continuu cu care suntem familiarizați la scară ultra-mică se dovedește a fi o structură cu o geometrie foarte complexă.

Unul dintre avantajele teoriei cuantice bucle a gravitației este naturalețea cu care explică Modelul standard al fizicii particulelor.

În lucrarea sa din 2005, Sundance Bilson-Thompson a propus un model (aparent bazat pe teoria mai generală a împletițiilor a lui M. Khovanov) în care rishon-urile Harari au fost transformate în obiecte extinse în formă de panglică numite panglici. Potenţial, acest lucru ar putea explica motivele auto-organizării subcomponentelor particulelor elementare, ducând la apariţia unei încărcături de culoare, în timp ce în modelul preon anterior (Rishon) elementele de bază erau particule punctiforme, iar sarcina de culoare a fost postulată. Bilson-Thompson își numește panglicile extinse „geloni”, iar modelul său un gelon. Acest model duce la interpretarea sarcinii electrice ca o entitate topologică care apare atunci când panglicile sunt răsucite.

A doua lucrare, publicată de Bilson-Thompson în 2006 împreună cu Fotini Markopolou și Lee Smolin, a sugerat că pentru orice teorie a buclei gravitației cuantice în care spațiu-timp este cuantificat, stările excitate ale spațiu-timpului însuși pot juca rolul preonilor, conducând la apariția modelului standard ca o proprietate emergentă a teoriei gravitației cuantice.

Astfel, Bilson-Thompson și coautorii săi au propus că teoria gravitației cuantice în buclă ar putea reproduce Modelul Standard prin unificarea automată a tuturor celor patru forțe fundamentale. În același timp, cu ajutorul preonilor, prezentați sub formă de brad (țesături din spațiu-timp fibros), a fost posibilă construirea unui model de succes al primei generații de fermioni fundamentali (quarci și leptoni) cu o mai mare sau mai mare măsură. reproducerea mai puțin corectă a taxelor și parităților lor.

Lucrarea originală Bilson-Thompson a sugerat că fermionii fundamentali de a doua și a treia generație ar putea fi reprezentați ca brad mai complexe, iar fermionii de prima generație ca fiind cei mai simple brad posibil, deși nu au fost date reprezentări specifice ale bradurilor complexe. Se crede că sarcinile electrice și de culoare, precum și paritatea particulelor aparținând generațiilor de rang superior, ar trebui obținute exact în același mod ca și pentru particulele din prima generație. Utilizarea metodelor de calcul cuantic a făcut posibil să se arate că particulele de acest fel sunt stabile și nu se degradează sub influența fluctuațiilor cuantice.

Structurile tip panglică în modelul Bilson-Thompson sunt reprezentate ca entități care constau din aceeași materie ca spațiu-timp însuși. Deși lucrările Bilson-Thompson arată cum pot fi produși fermioni și bosoni din aceste structuri, ele nu discută cum ar putea fi folosită brading pentru a produce bosonul Higgs.

L. Freidel, J. Kowalski-Glikman și A. Starodubtsev au sugerat în lucrarea lor din 2006 că particulele elementare pot fi reprezentate folosind liniile Wilson ale unui câmp gravitațional, ceea ce implică faptul că proprietățile particulelor (masa, energiile și spinurile lor) pot corespunde cu proprietățile buclelor Wilson - obiectele de bază ale teoriei gravitației cuantice bucle. Această lucrare poate fi văzută ca un suport teoretic suplimentar pentru modelul preon Bilson-Thompson.

Folosind formalismul modelului de spumă spin, care este direct legat de teoria gravitației cuantice bucle și bazat numai pe principiile inițiale ale acestuia din urmă, este, de asemenea, posibil să se reproducă și alte particule ale modelului standard, cum ar fi fotonii, gluoni și gravitoni - indiferent de schema Billson-Thompson Brad pentru fermioni. Cu toate acestea, din 2006, nu a fost încă posibil să se construiască modele helon folosind acest formalism. Modelul helon nu conține brad care ar putea fi folosiți pentru construirea bosonului Higgs, dar în principiu acest model nu neagă posibilitatea existenței acestui boson sub forma unui fel de sistem compozit. Bilson-Thompson observă că, deoarece particulele cu mase mai mari au în general o structură internă mai complexă (inclusiv răsucirea bradurilor), această structură poate fi legată de mecanismul de formare a masei. De exemplu, în modelul Bilson-Thompson, structura unui foton cu masă zero corespunde cu brads nerăsuciți. Cu toate acestea, rămâne neclar dacă modelul fotonic obținut în cadrul formalismului spumei de spin corespunde fotonului Bilson-Thompson, care în modelul său constă din trei panglici nerăsucite (este posibil ca mai multe versiuni ale modelului de fotoni să poată fi construite în spuma de spin. formalism).

Inițial, conceptul de „preon” a fost folosit pentru a desemna subparticulele punctuale incluse în structura fermionilor cu semi-spin (leptoni și quarci). După cum sa menționat deja, utilizarea particulelor punctiforme duce la paradoxul masei. În modelul Bilson-Thompson, panglicile nu sunt structuri punctuale „clasice”. Bilson-Thompson folosește termenul „preon” pentru a menține continuitatea în terminologie, dar cu acest termen se referă la o clasă mai largă de obiecte care sunt componente ale structurii quarcilor, leptonilor și bosonilor gauge.

Important pentru înțelegerea abordării Bilson-Thompson este că în modelul său preon, particulele elementare, cum ar fi electronul, sunt descrise în termeni de funcții de undă. Suma stărilor cuantice ale unei spume spin care are faze coerente este, de asemenea, descrisă în termeni de funcție de undă. Prin urmare, este posibil ca folosind formalismul spumei spin să se obțină funcții de undă corespunzătoare particulelor elementare (fotoni și electroni). În prezent, combinarea teoriei particulelor elementare cu teoria gravitației cuantice în buclă este un domeniu foarte activ de cercetare.

În octombrie 2006, Bilson-Thompson și-a modificat lucrarea, menționând că, deși modelul său a fost inspirat de modele preon, nu este preon în sensul strict al cuvântului, așa că diagramele topologice din modelul său preon pot fi folosite cel mai probabil în alte teorii fundamentale. , cum ar fi teoria M. Restricțiile teoretice impuse modelelor preon nu sunt aplicabile modelului său, deoarece în el proprietățile particulelor elementare nu provin din proprietățile subparticulelor, ci din conexiunile acestor subparticule între ele (brads). O posibilitate este, de exemplu, „încorporarea” preonilor în teoria M sau în teoria gravitației cuantice în buclă.

După cum raportează Hossenfelder, extensiile gravitației cuantice bucle în dimensiuni superioare implică, ca și teoria corzilor, supersimetria. Pentru ca gravitația cuantică în buclă să fie în concordanță cu relativitatea specială, prima, așa cum crede Rodolfo Gambini din Uruguay, necesită introducerea de interacțiuni similare cu cele din teoria corzilor.

Herman Verlinde de la Universitatea Princeton consideră că gravitația cuantică în buclă poate ajuta la progrese în înțelegerea ideii de corespondență AdS/CFT (corespondența anti-de Sitter / teoria câmpului conform) dintre teoria câmpului conform și gravitație. În lucrarea sa recentă, relatează Hossenfelder, fizicianul a folosit metode de gravitație cuantică în buclă pentru a descrie spațiu-timp tridimensional (în care două coordonate sunt spațiale și una este timpul).

În prezent, câteva mii de fizicieni teoreticieni lucrează la teoria corzilor. Peste gravitația cuantică în buclă, există de sute de ori mai puțini specialiști. Majoritatea teoreticienilor corzilor nu iau în serios gravitația cuantică în buclă. Teoria corzilor se bazează pe ipoteza existenței pe scara Planck a obiectelor unidimensionale ipotetice - șiruri, ale căror excitații sunt interpretate ca particule elementare și interacțiunile lor.

Această teorie este o dezvoltare consecventă a teoriei câmpului cuantic, care este în prezent aparatul matematic pentru fizica modernă a particulelor - Modelul Standard. Spre deosebire de teoria corzilor, gravitația cuantică în buclă presupune existența unei grile spațiu-timp discrete formate din celule cuantice. Dinamica acestor celule determină structura spațiu-timpului.

Vă invităm să urmăriți dezbaterea dintre fizicienii care susțin o teorie opusă specializării lor:

Dacă găsiți o eroare, evidențiați o bucată de text și faceți clic Ctrl+Enter.

Vizualizari: 227

Teoria corzilor și teoria cuantică a gravitației sunt programe de cercetare foarte dinamice, cu șanse semnificative de a descoperi noi legi ale naturii. Fiecare a obținut mult mai mult decât ar fi prezis experții cu multă lungă vedere când au pariat acum douăzeci de ani. Vom începe cu problemele gravitației cuantice în sine.

O teorie cuantică corectă a gravitației trebuie:

Întrebări referitoare la gravitația cuantică

1. Să spunem dacă principiile relativității generale și ale mecanicii cuantice sunt corecte așa cum au fost stabilite sau dacă necesită modificări.
2. Oferiți o descriere exactă a naturii pe toate scările, inclusiv scala Planck.
3. Pentru a ne spune că există timp și spațiu într-un limbaj care este complet compatibil atât cu teoria cuantică, cât și cu faptul că geometria spațiu-timpului este dinamică. A spune cum ar trebui descrise mecanic cuantic conul de lumină, structura cauzală, metrica etc., inclusiv pe scara Planck.
4. Deduceți entropia și temperatura unei găuri negre. Explicați cum entropia unei găuri negre poate fi înțeleasă ca entropie statistică prin media descrierea cuantică.
5. Fiți în concordanță cu valoarea aparent observată, dar mică, a constantei cosmologice. Explicați entropia orizontului cosmologic.
6. Explicați ce se întâmplă în singularitățile relativității generale clasice.
7. Fii complet independent de fundal. Aceasta înseamnă că nici câmpurile clasice, nici soluțiile la ecuațiile de câmp clasice nu apar în teorie în alt mod decât ca o aproximare a stărilor și istoriilor cuantice.
8. Preziceți fenomene fizice noi, dintre care cel puțin unele pot fi testate în experimente sau experimente moderne în viitorul apropiat.
9. Explicați cum apare relativitatea generală clasică în limita corespunzătoare de energie joasă din fizica la scara Planck.
10. Preziceți dacă invarianța Lorentz globală observată a spațiu-timpului plat este realizată în natură exact, până la parametrii de creștere infiniti, sau dacă există modificări la implementarea invarianței Lorentz pentru scările Planck de energie și impuls.
11. Oferiți predicții precise pentru împrăștierea gravitonilor unul pe altul și pe alte cuante în toate ordinele teoriei perturbațiilor în apropierea aproximării semiclasice

Sunt o mulțime de întrebări, dar este greu de crezut într-o teorie cuantică a spațiului și timpului care să nu răspundă fiecăreia dintre ele. Cu toate acestea, există o problemă care este dificil de supraestimat - cerința de independență de fundal. Există două motive pentru această cerință. Prima este o chestiune de principiu. De-a lungul istoriei fizicii, începând cu pionierii greci, au existat două puncte de vedere concurente asupra naturii spațiului și timpului. Primul este că ele nu fac parte dintr-un sistem dinamic, ci reprezintă un aspect etern fix, non-dinamic al fundalului pe baza căruia sunt determinate legile naturii. Aceasta este opinia lui Newton și este de obicei numită absolut Punct de vedere.

În literatura de limbă rusă, în locul termenului de invarianță în cadrul difeomorfismelor spațiu-timp sau al termenului de invarianță difeomorfă, care este adesea folosit mai jos, se folosesc de obicei termenii de invarianță generală sau covarianță generală. Cu toate acestea, vom urma originalul în traducere.

Al doilea punct de vedere este că geometria spațiului și timpului este un aspect al sistemului dinamic care reprezintă universul. Spațiul și timpul nu sunt așadar fixe, ci evoluează, ca orice altceva, în conformitate cu anumite legi. Mai mult, după acest punct de vedere, spațiul și timpul relativ. Aceasta înseamnă că nu există o semnificație absolută a timpului și locului unui eveniment, altul decât cel care poate fi determinat din corelarea cantităților observabile sau din relațiile diferitelor evenimente. Acesta este punctul de vedere al lui Leibniz, Mach și Einstein și se numește relativ Punct de vedere.

Principiul covarianței generale

Principiul covarianței generale afirmă că o ecuație fizică este satisfăcută într-un câmp gravitațional arbitrar dacă ecuația este satisfăcută în absența gravitației, adică corespunde legilor relativității speciale atunci când tensorul metric din ea este egal cu tensorul. de Minkowski plan spațiu-timp și conexiunea afină este zero (echivalența tuturor sistemelor de referință) și dacă ecuația fizică este în general covariantă, adică își păstrează forma sub o transformare arbitrară de coordonate (conținutul fizic al ecuațiilor nu depinde privind alegerea sistemului de coordonate). Dacă, ca urmare a transformării coordonatelor, variabilele dependente de acestea (funcțiile de coordonate) s-au modificat conform unei legi, atunci principiul covarianței generale impune ca noile funcții de coordonate noi să satisfacă ecuații de aceeași formă ca și vechile funcții ale vechilor. coordonate. Principiul covarianței generale este de mare importanță euristică pentru derivarea ecuațiilor relativității generale.

Să presupunem că luăm în considerare o ecuație care satisface principiul covarianței generale într-un câmp gravitațional arbitrar. O ecuație este în general covariantă, adică este valabilă în toate sistemele de coordonate dacă este valabilă în orice sistem de coordonate. Dar în orice punct dat există un sistem de coordonate local inerțial în care nu există gravitație. Condiția respectării legilor relativității speciale în absența gravitației înseamnă că ecuația este valabilă în sistemul de coordonate inerțial local și, datorită covarianței generale, este valabilă în toate celelalte sisteme de coordonate. Astfel, principiul covarianței generale decurge din principiul echivalenței.

Teoria generală a relativității a lui Einstein este o realizare a punctului de vedere relativ. Observațiile care arată că radiația gravitațională transferă energie din sistemele pulsare binare în două grade de libertate de radiație, așa cum prezice teoria lui Einstein, ar putea fi considerate o lovitură de moarte pentru absolut puncte de vedere. Faptul că sunt observate două, dar nu cinci, grade de libertate înseamnă că invarianța gauge a legilor naturii include invarianța sub difeomorfisme spațiu-timp. Aceasta înseamnă că metrica este o valoare complet dinamică și niciuna dintre componentele metricii nu este fixă ​​și nedinamică.

După cum au observat Einstein și mulți alți oameni de știință, invarianța sub difeomorfisme este direct legată de independența teoriei față de fundal. Aceasta arată „argumentul găurii” și analiza lui Dirac a semnificației simetriei gabaritului. Există o discuție bună despre acest fapt de către Stachel, Barbour, Rovelli și alții. Astfel, relativitatea generală clasică este independentă de fundal. Arena dinamicii sale nu este spațiu-timp, arena este spațiul de configurare al tuturor gradelor de libertate ale câmpului gravitațional, care este o metrică modulo difeomorfisme. Acum ne putem întreba, o teorie cuantică a gravitației trebuie să fie și independentă de fundal?

Opusul ar amintește de situația în care un câmp special clasic Yang-Mills este necesar pentru a defini dinamica cuantică în QCD, în timp ce nu este necesar niciun câmp fix, non-dinamic pentru a defini teoria clasică. Până acum, mulți și-au exprimat părerea că, probabil, teoria cuantică a gravitației necesită un fundal fix non-dinamic de spațiu-timp pentru definirea sa. Acest lucru pare aproape absurd, deoarece înseamnă a alege o soluție specială a teoriei clasice (dintre infinitul de multe) și a-i acorda un rol privilegiat în teoria cuantică. Mai mult, nu ar trebui să existe o modalitate experimentală de a ști care fundal clasic este selectat pentru acest rol privilegiat, deoarece orice efect dependent de un fundal fix și supraviețuind în limita de energie scăzută va încălca invarianța difeomorfă.

Dar acest lucru ar însemna că invarianța difeomorfă nu este o simetrie exactă în limita de energie scăzută și rezultă că atunci când materia este accelerată, mai mult de două grade de libertate ale metricii trebuie excitate. Dar acest lucru ar contrazice sensibilitatea extremă în acordul relativității generale și rata de dezintegrare observată a orbitelor pulsarilor dubli. Astfel, argumentele atât din principiile generale, cât și din experiment susțin concluzia că natura este proiectată astfel încât, chiar și în domeniul cuantic, toate gradele de libertate ale geometriei spațiu-timp sunt dinamice. Dar dacă da, nicio metrică clasică nu poate juca vreun rol în formularea teoriei cuantice a gravitației

În contracție, se spune uneori că o teorie acceptabilă poate fi formulată astfel încât teoria cuantică să depindă de un fundal clasic, dar poate fi folosit oricare dintr-un număr imens de medii, astfel încât teoria să nu necesite un fundal anume. Ceea ce este trecut cu vederea aici este că o astfel de teorie constă de fapt dintr-o listă lungă de teorii, câte una pentru fiecare fundal. Acest lucru nu face posibilă realizarea ideii că spațiu-timpul cuantic în ansamblu este dinamic, astfel încât medii diferite apar ca soluții la dinamica cuantică. Nu este suficient ca diferitele fundaluri să poată fi soluții ale diferitelor ecuații clasice, deoarece acest lucru duce la o teorie mixtă și cel mai probabil insustenabilă în care geometria este împărțită astfel încât o parte (fondul) este o soluție a ecuațiilor clasice, în timp ce alta partea (undele gravitaționale „de deasupra fundalului”) satisface ecuațiile cuantice care depind de alegerea fondului. O astfel de abordare poate apărea ca o aproximare a unei teorii fundamentale, dar nu poate fi teoria fundamentală în sine.

Întrebări legate de cosmologie

Vom aminti acum misterele cosmologice care nu au fost încă rezolvate și despre care mulți oameni cred că necesită fizica la scara Planck pentru a le rezolva.

1. Explicați de ce se pare că universul nostru a început cu condiții inițiale extrem de puțin probabile.
2. În special, pentru a explica de ce în vremurile marii unificări universul avea condiții inițiale potrivite pentru ca inflația să apară sau, alternativ, a oferit un alt mecanism de inflație sau un mecanism prin care succesele cosmologiei inflaționiste puteau fi duplicate.
3. Explicați dacă Big Bang-ul a fost primul moment în timp sau dacă a existat ceva înainte.
4. Explicați ce este materia întunecată. Explicați ce este energia întunecată. Explicați de ce materia întunecată este în prezent de cinci ori mai densă decât materia hadronică obișnuită, în timp ce energia întunecată este încă de două ori mai densă decât materia întunecată.
5. Faceți predicții dincolo de modelul standard actual de cosmologie, cum ar fi corecții ale spectrului de fundal cu microunde prezis de modelele inflaționiste.

Întrebări legate de unirea forțelor

Acum să menționăm problemele fizicii particulelor elementare care trebuie rezolvate prin orice teorie unificată a interacțiunilor. Deoarece toriul șir este obligat să devină o astfel de teorie în viitor, trebuie evaluat în funcție de capacitatea sa de a răspunde la aceste întrebări. De asemenea, este posibil, dar nu necesar, ca gravitația cuantică în buclă să ofere răspunsuri la unele dintre aceste întrebări.

1. Aflați dacă există sau nu o unificare suplimentară a forțelor, inclusiv gravitația.
2. Explicați caracteristicile generale ale modelului standard al fizicii particulelor, adică explicați de ce forțele sunt descrise printr-o teorie gabarit spartă spontan cu grupul $SU(3)\time SU(2)\time U(1)$ presiune.
3. Explicați de ce există o ierarhie largă în raporturile de masă, de la masa Planck la masa neutrinilor și, în final, până la constanta cosmologică. Descrieți mecanismul prin care se creează ierarhia, indiferent dacă este vorba de o încălcare spontană a unei teorii mai simetrice sau de alte mijloace. Explicați de ce constanta cosmologică este atât de mică pe scara Planck.
4. Explicați valorile curente ale parametrilor modelului standard: mase, constante de cuplare, unghiuri de amestecare etc. Explicați valoarea observată a constantei cosmologice.
5. Spuneți-ne dacă există o singură teorie validă a naturii care face predicții clare ale rezultatelor tuturor experimentelor sau, așa cum se presupune adesea, la unele sau la toate întrebările lăsate deschise de modelul standard al fizicii particulelor trebuie să se răspundă în termeni de un alegerea dintre posibilele fenomenologii consistente permise de teoria fundamentală .
6. Oferiți câteva predicții experimentale ale fenomenelor unice acestei teorii care pot fi testate în experimente moderne sau în viitorul apropiat.

Întrebări fundamentale

În cele din urmă, există întrebări despre fundamentele teoriei cuantice, despre care mulți cred că sunt strâns legate de problema gravitației cuantice.

1. Rezolvați problema timpului în cosmologia cuantică.
2. Explicați cum trebuie modificată mecanica cuantică pentru a fi aplicabilă sistemelor închise, cum ar fi universul, care conțin propriul observator.
3. Rezolvați misterul unde informațiile dispar atunci când o gaură neagră se evaporă.

Câteva note fundamentale

Etapa actuală de dezvoltare a teoriei gravitației se caracterizează nu numai prin căutarea de noi efecte și înființarea de noi experimente, ci și printr-o analiză mai aprofundată a premiselor de bază ale teoriei și a problemelor conceptuale, printre care problema energiei câmpului gravitațional ocupă un loc aparte. Dificultățile asociate cu caracterul non-tensor al mărimilor care descriu energia câmpului gravitațional s-au dovedit a fi atât de grave încât au început să fie considerate ca o manifestare a proprietăților speciale ale câmpului gravitațional - universalitate, imposibilitate de ecranare, nelocalizare. .

Cu toate acestea, o analiză detaliată arată că nicio proprietate specială a câmpului gravitațional nu poate explica așa-numita nelocalizare a acestui câmp. Nu numai energia, ci și toate rezultatele teoriei, cu excepția funcției Lagrange și a ecuațiilor câmpului gravitațional, se dovedesc a fi necovariante. Astfel, în teoria generală a relativității a apărut o situație neobișnuită, a cărei unicitate constă în faptul că într-o teorie ale cărei principii sunt formulate impecabil matematic, consecințe fizice importante sunt în contradicție cu prevederile inițiale.

Astfel, la formularea GTR, se postulează o cerință logică generală pentru admisibilitatea oricărui sistem de coordonate, dar s-a dovedit că în teoria construită sunt descrise caracteristicile dinamice ale câmpului gravitațional (cu excepția ecuațiilor lui Einstein) - densitatea energiei, impulsul -. prin mărimi netensoriale. Ca urmare, este imposibil să descriem fără ambiguitate distribuția energiei-impuls a oricărui sistem fizic situat într-un câmp gravitațional. Aici apare conceptul de așa-numită nelocalizare a câmpului gravitațional. Energia câmpului gravitațional nu este localizabilă, adică nu există o densitate de energie definită în mod unic.

Nelocalizare

Natura acestui fenomen este următoarea. Dacă în descrierea câmpului electromagnetic, pe lângă potențialul vectorial, este implicată și o metrică, atunci legea gravitației lui Einstein nu include alte mărimi cu excepția potențialelor gravitaționale. În cazul unui câmp electromagnetic, mărimea fizică este clasa de echivalență a potențialelor vectoriale, care este determinată de o funcție arbitrară. Alegerea unui reprezentant din fiecare clasă de echivalență se realizează prin impunerea condiției Lorentz, care este în general covariantă, adică independentă de alegerea sistemului de coordonate, deoarece în teorie există un așa-numit obiect de fundal - metrica Minkowski. Pentru un câmp gravitațional, o mărime fizică este clasa de echivalență a potențialelor gravitaționale, determinată de patru funcții arbitrare. O singură mărime, acțiunea Hilbert, nu depinde de alegerea acestor funcții.

Continuând analogia, observăm că în teoria lui Maxwell, reprezentanți diferiți ai clasei de echivalență corespund nu numai aceleiași acțiuni, ci și așa-numitului tensor de câmp electromagnetic, prin urmare, reprezentanți diferiți ai clasei de echivalență corespund aceleiași forțe Lorentz. și densitatea energiei. În acest sens, câmpul electromagnetic este localizabil. În teoria lui Einstein, reprezentanți diferiți ai clasei de echivalență corespund aceluiași câmp gravitațional, care este situat diferit în spațiu-timp („orientat”) față de același observator.

Diferiți reprezentanți corespund unor orientări diferite. Ambiguitatea în alegerea orientării este determinată de patru funcții de coordonate arbitrare. Întrucât în ​​teorie nu există alte obiecte decât potențiale gravitaționale, alegerea unui reprezentant din fiecare clasă de echivalență poate fi efectuată într-o manieră general covariantă numai prin introducerea în teorie a unui obiect nedinamic, așa-numitul de fond - fondul. unu. Alegerea unui reprezentant din fiecare clasă de echivalență se realizează prin impunerea a patru condiții general covariante asupra derivatelor covariante ale potențialelor gravitaționale în raport cu conectivitatea de fond. Nelocalizabilitatea câmpului gravitațional este apoi determinată de libertatea de a alege metrica de fundal sau conectivitatea de fundal. Astfel, problema energiei câmpului gravitațional se reduce la problema semnificației fizice a conectivității de fond, care, prin urmare, capătă o importanță fundamentală.

Dacă un câmp gravitațional și o conectivitate de fundal sunt specificate pe aceeași varietate, atunci particulele gravitaționale se deplasează de-a lungul geodezicilor determinate de potențiale gravitaționale. O întrebare firească apare atunci cu privire la natura particulelor care se deplasează de-a lungul geodezicilor definite de conectivitatea de fundal. Existența unor particule de acest fel este o necesitate evidentă, fără de care este problematică să se ridice problema semnificației fizice a conectivității de fundal. S-ar putea încerca să nu se răspundă la ultima întrebare spunând că particulele se deplasează de-a lungul conectivității de fundal geodezic în absența unui câmp gravitațional. Cu toate acestea, de aici rezultă că conectivitatea de fundal are sens numai în absența unui câmp gravitațional. Astfel, urmând cerințe pur logice care decurg din fapte imuabile, ajungem la concluzia despre existența unei forme de energie negravitativă, care, după cum se poate observa, este direct legată de acordarea de sens fizic potențialelor gravitaționale în cadrul principiul covarianței generale, care, așa cum s-a subliniat deja în mod repetat, este o cerință pur logică legată de orice teorie fizică, inclusiv teoria câmpului gravitațional.

De aici și necesitatea verificării experimentale a principiului universalității interacțiunilor gravitaționale. "Valabilitatea acestui principiu în domeniul fizicii microscopice nu este atât de evidentă. Se cunosc multe reguli care sunt îndeplinite cu mare acuratețe pentru interacțiuni electromagnetice și alte tipuri; este foarte posibil ca rolul special atribuit interacțiunii gravitaționale să dispară, dând loc unei armonii încă necunoscute.”

Acest citat este preluat din lucrarea lui Wigner pentru a sublinia faptul că testarea principiului universalității interacțiunilor gravitaționale este importantă nu numai în legătură cu problema auto-coerenței a teoriei generale a relativității, ci și pentru clarificarea rolului forțelor gravitaționale în fizică. a microlumii.

O poveste a două teorii

Înainte de a prezenta principalele rezultate și întrebări deschise ale fiecărei teorii, este util să oferim o imagine de ansamblu asupra principalelor puncte comune și a principalelor diferențe ale acestora. Atât asemănările, cât și diferențele sunt izbitoare și non-triviale, iar cititorul va beneficia probabil de a le evidenția aici înainte de a ne aprofunda neapărat detaliile mai fine și distincțiile mai fine necesare pentru a ajunge la o evaluare corectă a fiecărei teorii.

Postulatele generale

Atât teoria corzilor, cât și gravitația cuantică în buclă sunt dezvoltări ale unui set de idei introduse inițial în anii 1960 pentru a înțelege fizica hadronilor. Ca atare, ei împărtășesc mai multe postulate comune.

• Fundamental teoria nu este o teorie obișnuită a câmpului local invariant Poincaré.
• Fundamental excitaţiile sunt obiecte extinse. Acestea includ excitații unidimensionale și excitații asemănătoare membranei bidimensionale (și posibil mai multe).
• Dualitate. Excitațiile unidimensionale au o descriere dublă ca cuante de flux electric ale unei teorii gauge non-Abelian. Excitațiile cu dimensiuni înalte au o descriere dublă în termeni de fluxuri electrice și magnetice de dimensiuni înalte.
  Au fost propuse diverse versiuni ale principiului holografic, care diferă în măsura în care teoriile pot fi complet reduse la o teorie dinamică pe o suprafață de dimensiuni inferioare.

Faptul că teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă împărtășesc aceste postulate comune se reflectă în faptul că formulările lor matematice se suprapun. De exemplu, ambele folosesc teoria conformă a câmpului și teoria reprezentării grupurilor cuantice.

Ambele teorii pot fi formulate într-un limbaj în care toate gradele de libertate sunt reprezentate ca matrici mari. Aceste formulări sunt neperturbative în sensul că dinamica matricei codifică un număr infinit de termeni perturbativi.

Cu toate acestea, există și diferențe foarte semnificative.

Atât teoria corzilor, cât și gravitația cuantică a buclei încep cu utilizarea obiectelor extinse unidimensionale, care în dualitate corespund fluxului de linii ale unui câmp de măsurare cuantificat, acestea sunt grade fundamentale de libertate ale teoriei. Ele diferă în trei aspecte:

• Prima diferență.Se consideră că șirurile se mișcă într-un fundal clasic, caracterizat printr-o alegere fixă ​​de metrice și alte câmpuri clasice. Se presupune că buclele există la un nivel mai fundamental, la care nu există nici o metrică clasică, nici alte câmpuri.
• A doua diferenta.Câmpul gauge în cazul buclelor este considerat a măsura toate sau o parte din transformările locale Lorentz. Calibrare câmpul în cazul șirurilor deschise este considerat a corespunde câmpului Yang-Mills.
• A treia diferență.Cele două abordări adoptă strategii complet diferite în tratarea imposibilității relativității generale de a exista ca o teorie a câmpului cuantic renormalizabil perturbativ. Acest lucru se datorează ipotezelor fizice care stau la baza utilizării teoriei perturbațiilor. Postulatele relevante includ 1) spațiu-timpul este neted la scară arbitrar mici, astfel încât există perturbări liniizabile până la lungimi de undă arbitrar mici. 2) simetria globală Lorentz este o simetrie exactă a spectrului de fluctuație în apropierea stării cuantice corespunzătoare spațiului Minkowski, bună până la lungimi de undă arbitrar mici și parametri de amplificare.

Teoria corzilor presupune că aceste două postulate sunt corecte. De aici strategia de a căuta o teorie perturbativă, inclusiv gravitonii, în care aceste postulate pot fi implementate cu acuratețe.

În schimb, gravitația cuantică în buclă acceptă că trebuie să cuantificăm relativitatea generală fără aceste presupuneri. Într-adevăr, deoarece invarianța Lorentz globală nu este o simetrie a relativității generale clasice, nu poate fi presupusă sub nicio cuantizare exactă a acestei teorii. Aceste două presupuneri trebuie apoi testate în sensul că trebuie să vedem în ce măsură sunt reproduse în limita clasică a teoriei cuantice. De fapt, după cum vom vedea, există dovezi că acestea sunt false în cel puțin o cuantizare consistentă a relativității generale.

Din cauza acestor diferențe, cele două teorii au postulate diferite. De asemenea, duc la imagini fizice complet diferite. Prin urmare, cele două teorii fac predicții foarte diferite pentru experimentele viitoare. Este util să rețineți acest lucru imediat.

Predicții caracteristice teoriei corzilor

Teoria corzilor cere ca lumea să aibă un număr mare de dimensiuni, grade de libertate și simetrii încă nedetectate. Când discutăm acest lucru în detaliu mai jos, se va observa că teoria corzilor cere ca natura să aibă 6 sau 7 dimensiuni ale spațiului dincolo de cele observate. De asemenea, prezice existența unui nou tip de simetrie numit supersimetrie, care, de asemenea, nu a fost observată până acum. Aceasta este simetria care leagă fermionii de bozoni. Din păcate, se dovedește că supersimetria nu poate fi folosită pentru a lega niciunul dintre fermionii cunoscuți în prezent cu oricare dintre bosonii cunoscuți în prezent. În consecință, supersimetria și teoria corzilor prezic că există un număr mare de particule elementare care nu au fost încă observate.

Există unele fapte care sunt considerate posibile dovezi indirecte în favoarea supersimetriei în fizica particulelor. O dovadă se referă la întrebarea dacă gabaritul și constantele de cuplare Yukawa converg la aceeași scară mare unificată. Modelul standard are unificare aproximativă, dar nu exactă. Unificarea este mai precisă în modelul standard supersimetric minim, în care triunghiul care rezultă din traiectoriile celor trei constante de cuplare de rulare este mai mic și este mai plauzibil ca unificarea să fie realizată prin efecte de prag. Cu toate acestea, comportamentul constantelor de cuplare poate fi influențat și de alți factori, cum ar fi masele de neutrini.

Sunt două lucruri de remarcat despre asta. În primul rând, încă nu există dovezi observaționale pentru existența dimensiunilor și simetriilor suplimentare ale particulelor care sunt prezise de teoria corzilor. În al doilea rând, teoria corzilor nu este unică în a prezice aceste caracteristici. Chiar înainte de teoria corzilor, se studiau dimensiuni mai mari și existau teorii obișnuite cu supersimetrie. Aceste teorii continuă să fie studiate independent de teoria corzilor. Nu este ușor să identifici un experiment care să confirme fără echivoc o predicție a teoriei corzilor care nu este și o predicție a teoriei supersimetrice obișnuite sau a teoriei câmpului de dimensiuni superioare.

Există o presupunere care este făcută în teoria corzilor care poate fi supusă unor teste experimentale. Aceasta este că relativitatea specială este valabilă la toate scările în forma originală pe care i-a dat-o Einstein. În limbajul tehnic, aceasta înseamnă că teoria presupune că invarianța Lorentz este o simetrie exactă a lumii în care trăim, excluzând doar efectele curburii spațiu-timp.

Predicții caracteristice ale gravitației cuantice în buclă.

Gravitația cuantică în buclă duce, de asemenea, la predicții caracteristice pentru fenomene noi, dar de un tip foarte diferit. De fapt, gravitația cuantică în buclă este pe deplin compatibilă cu postulatul că lumea are doar trei dimensiuni spațiale și o dimensiune temporală și este cunoscută a fi compatibilă cu o gamă largă de ipoteze despre materia conținută în lume, inclusiv cu modelul standard. Prin urmare, nu necesită dimensiuni, simetrii sau grade de libertate altele decât cele observate. În același timp, există versiuni de gravitație cuantică în buclă care includ supersimetria (cel puțin până la $N = 2$) și multe dintre rezultatele sale se extind la dimensiuni mai mari. Prin urmare, dacă există indicii ale existenței unei supersimetrii sau a unor dimensiuni mai mari, nu vor fi probleme pentru gravitația cuantică în buclă.
În schimb, predicțiile gravitației cuantice în buclă se referă la structura spațiului și a spațiu-timpului la distanțe foarte mici. În special, gravitația cuantică în buclă prezice că imaginea netedă a spațiului-timp a relativității generale clasice este, în realitate, doar rezultatul medierii și grosierului unei structuri discrete, în care suprafețele și regiunile pot avea doar anumite valori cuantificate discrete ale suprafețe și volume. Gravitația cuantică în buclă face predicții specifice pentru geometria cuantică discretă la distanțe scurte. Mai mult, aceste predicții sunt derivate din primele principii și, prin urmare, lipsesc elemente de ajustare. În acest sens, gravitația cuantică în buclă diferă de abordările anterioare, care postulează o formă de structură discretă ca punct de plecare, fără a o deriva ca o consecință a unificării teoriei cuantice și a relativității generale.

Se dovedește că acest lucru are consecințe legate de întrebarea dacă relativitatea specială și invarianța Lorentz sunt îndeplinite în natură exact sau este doar o aproximare care este adevărată la scale mult mai mari decât scara Planck. Câteva calcule recente, efectuate prin metode diferite, oferă predicții pentru relația schimbătoare dintre energie și impuls pentru particulele elementare. Relațiile au forma \begin(equation) E^(2) = p^(2)+ M^(2) + \alpha l_(Pl)E^(3)+ \beta l_(Pl)^(2) E^ (4)+ ...~~~~~~~~~~~~~~~~~(2) \end(equation) şi predicţii s-au obţinut pentru coeficienţii conducători a, care, în general, depind pe spin și helicitate.
Aceasta este, prin urmare, o zonă de inconsecvență cu teoria corzilor. Mai mult, aceste modificări se dovedesc a fi testabile în experimente proiectate. În consecință, diferitele predicții ale teoriei corzilor și ale gravitației cuantice bucle cu privire la soarta invarianței Lorentz fac posibilă distingerea experimentală între teorii în viitorul apropiat.

Situație experimentală în viitorul apropiat

Cea mai importantă dezvoltare a gravitației cuantice din ultimii câțiva ani a fost realizarea faptului că acum devine posibil să se studieze fizica la scara Planck în mod experimental. În funcție de ipotezele privind dinamica, există o bună sensibilitate experimentală la factori Aîn formula (2) pentru fotoni, electroni și protoni. În următorii câțiva ani, se așteaptă ca o serie de experimente să crească sensibilitatea atât de mult încât, chiar dacă lipsește termenul principal de ordin $E^(3)$, nu este imposibil să se impună o constrângere de unitate de ordine pe $\beta , $ coeficientul termenului de ordin $E^(4 ).$

Cu toate acestea, este esențial să rețineți că pentru a măsura AȘi V, este necesar să se indice modul în care invarianța Lorentz este interpretată în teorie. Există două posibilități foarte diferite care trebuie distinse.

1. Scenariul A) Relativitatea sistemelor de referință inerțiale este încălcată și există un cadru de referință dedicat. În acest caz, analiza trebuie efectuată într-un sistem de referință separat. Cea mai probabilă presupunere este că cadrul de referință selectat coincide cu cadrul în repaus în raport cu fundalul cosmic cu microunde. Astfel de teorii presupun că transformările de energie și impuls rămân liniare.
2. Scenariul B) Relativitatea cadrelor de referință inerțiale este păstrată, dar transformările Lorentz sunt implementate neliniar atunci când acționează asupra stărilor proprii de energie și impuls ale teoriei. Astfel de teorii se numesc teorii modificate ale relativității speciale sau teorii ale relativității speciale duble. Exemple sunt date de unele forme de geometrie necomutativă, cum ar fi spațiu-timp k-Minkowski. În astfel de teorii, transformarea energiei și a impulsului devine neliniară, ceea ce, desigur, afectează analiza experimentelor. În unele cazuri, dar nu în toate, ale unor astfel de teorii, geometria spațiu-timpului devine necomutativă.

Dintre experimentele care fie oferă deja o sensibilitate suficientă pentru a măsura $\alpha$ și $\beta$, fie este de așteptat până în 2010 (după cum se poate vedea aici și mai jos, prognoza Autorului cu privire la succesul fizicii experimentale nu s-a adeverit, dar este posibil să fi transferat în viitorul apropiat. - den) an, există următoarele:

1. Există încălcări evidente ale limitei GZK observate în razele cosmice cu energie ultra-înaltă în experimentul AGASA. Situația experimentală nu este pe deplin clară, dar noul detector de raze cosmice AUGER, care este deja operațional, este de așteptat să rezolve problema în următorii doi ani. Dacă există o încălcare a limitei GZK, o posibilă explicație vine din fizica la scara Planck (2).
   În scenariul A), încălcarea limitei GZK poate fi explicată prin termenii $E^3$ sau $E^4$ în relația de energie și impuls a protonilor. Cu toate acestea, în cazul B) este mai puțin firesc să explicăm încălcarea limitei GZK prin modificarea relației dintre energie și impuls pe scările Planck, dar există propuneri pentru astfel de forme ale acestor teorii în care acest lucru are loc.
2. Este posibil să fi fost înregistrată o anomalie similară pentru fotonii TeV proveniți de la blazarii. Observații similare se aplică puterii explicative a scenariilor A) și B) dacă există o anomalie.
3. O consecință a (2) este dependența vitezei luminii de energie. Acest efect poate fi căutat în caracteristicile temporale ale spargerilor gamma. Datele existente sunt limitative A la nivel $\alpha< \approx 10^{4},$ в то время как ожидается, что эксперимент GLAST будет чувствителен кA aproximativ unul în 2006. Rețineți că acest lucru se aplică atât scenariilor A) cât și B).
4. Observațiile existente ale emisiei de sincrotron din Nebuloasa Crabului, împreună cu ipoteze astrofizice rezonabile, pentru scenariul A) impun foarte puternic(aproximativ $10^(-9)!!$) limită de $\alpha$ pentru protoni și electroni.
5. Datele existente din experimente precise de fizică nucleară și atomică oferă constrângeri foarte puternice asupra $\alpha$ pentru fotoni, electroni și hadroni, din nou doar în Scenariul A).
6. Datele existente privind absența efectului Cherenkov de vid oferă constrângeri interesante asupra $\alpha$ pentru Scenariul A).
7. Observarea efectului birefringenței luminii polarizate din galaxiile îndepărtate oferă constrângeri puternice asupra posibilelor $\alpha$ , in functie de elicitate.
8. În anumite ipoteze14, se așteaptă ca observațiile de coerență de fază în interferometria stelară și galactică să genereze constrângeri de ordinul unității pe $\alpha$ în ​​viitorul apropiat.
9. Anumite ipoteze despre scara Planck conduc la predicții ale zgomotului în detectoarele de unde gravitaționale, care pot fi observate în instalațiile LIGO și VIRGO.
10. În unele scenarii cosmologice, modificarea formei (2) duce la o distorsiune a spectrului de fundal al microundelor, care poate fi observată în măsurătorile din viitorul apropiat.

Vorbim despre limita Greisen-Zatsepin-Kuzmin - o energie de ordinul $10^(20)$ eV, la care devine eficientă împrăștierea inelastică a protonilor pe fondul cosmic cu microunde și, prin urmare, tăierea spectrului razelor cosmice. Este de așteptat. În prezent (sfârșitul anului 2007) există anumite rezultate din experimentul HiRes care contrazic rezultatele AGASA și indică prezența unui cutoff la energia GZK (vezi R. U. Abbasi și colab., arXiv:astro-ph/0501317); Spectrometrul AUGER nu este încă pe deplin operațional, dar produce și rezultate compatibile cu HiRes, dar inconsecvente cu AGASA (a se vedea Colaborarea Pierre Auger, arXiv:astro-ph/0507150). Cu o mare probabilitate, rezultatele AGASA au fost infirmate (Aprox. Trad.)

Putem rezuma această situație spunând că teoria gravitației cuantice, care conduce la scenariul A) și prezice relația energie-impuls (2) cu o unitate $\alpha$ de ordin, pare să fi fost deja exclusă. Acest lucru este surprinzător pentru că până acum câțiva ani era general acceptat că ar fi imposibil de testat vreo ipoteză cu privire la scara Planck.

Putem aminti și alte trei experimente care până în 2010 ar putea fi relevante pentru problema gravitației cuantice.

1. Dovezi pentru sau împotriva supersimetriei pot fi obținute la energiile TeV în acceleratoare.
2. În experimentele din viitorul apropiat, se va obține ecuația de stare pentru energia întunecată. Unele propuneri pentru energia întunecată [ecuația stării] se bazează pe modificări ale relației energie-impuls în forma (2).
3. Există observații care indică faptul că constanta structurii fine poate depinde de timp. Acest lucru va fi confirmat sau infirmat. Dacă afirmația este confirmată, aceasta va reprezenta o provocare majoră pentru înțelegerea teoriei eficiente a câmpului în fizica energiei joase.

Combinația tuturor acestor posibilități experimentale semnalează că perioada lungă în care fizica fundamentală s-a dezvoltat independent de experiment se va încheia în curând. După cum s-a arătat mai sus, posibilele rezultate experimentale ar putea exclude fie teoria corzilor, fie gravitația cuantică în buclă până în 2010. Anumite ipoteze despre fizica la scara Planck care conduc la cadrul de referință preferat în scenariul A) sunt deja excluse sau puternic constrânse de observații.

Traducerea a fost efectuată de Panov Alexander Dmitrievich SINP MSU, candidat la fizică și matematică. Științe, cercetător senior.

Ecologia cunoașterii: „Cred că sunt prea multe lucruri bune care s-au întâmplat în teoria corzilor pentru ca aceasta să fie complet greșită. Oamenii nu o înțeleg foarte bine, dar pur și simplu nu cred în designul cosmic uriaș care a creat

„Cred că sunt prea multe lucruri bune care s-au întâmplat în teoria corzilor pentru ca aceasta să fie complet greșită. Oamenii nu o înțeleg foarte bine, dar pur și simplu nu cred într-un design cosmic gigantic care a creat acest lucru incredibil și că nu are nimic de-a face cu lumea reală”, a spus Edward Whitten odată.

Fără îndoială, din punct de vedere matematic, teoriile incredibile, frumoase și elegante nu lipsesc. Dar nu toate sunt potrivite pentru Universul nostru fizic. Se pare că pentru fiecare idee genială care descrie cu acuratețe ceea ce putem observa și măsura, există cel puțin o idee genială care încearcă să descrie aceleași lucruri, dar rămâne fundamental greșită. Săptămâna trecută am pus o întrebare care se rezumă la ceva de genul acesta.

Gravitația cuantică. Am dori să știm dacă s-au înregistrat progrese în acest domeniu în ultimii cinci până la zece ani. Ni se pare, muritorilor de rând, că acest domeniu este puțin blocat, iar teoria corzilor a început să cadă în uitare, deoarece este greu de testat și are 10^500 de soluții posibile. Este acest lucru adevărat sau se întâmplă ceva progres undeva în culise la care presa pur și simplu nu le acordă atenție?

În primul rând, merită să trasăm o linie mare între ideea gravitației cuantice, soluția teoriei corzilor (sau soluția propusă) și alte alternative.

Să începem cu Universul pe care îl cunoaștem și îl iubim. Pe de o parte, există teoria generală a relativității, teoria noastră a gravitației. Susține că, în loc să fie o simplă acțiune la distanță, așa cum a lăsat moștenirea Newton, cu toate masele în toate locurile exercitând forțe una asupra celeilalte în proporție inversă cu pătratul distanței dintre ele, se bazează pe un mecanism mai subtil.

Masa, așa cum a stabilit Einstein cu principiul echivalenței și E=mc^2 în 1907, a fost o formă de energie în Univers. Această energie, la rândul său, îndoaie însăși țesătura spațiu-timpului, schimbând calea tuturor obiectelor și schimbând ceea ce observatorul ar putea observa ca o rețea carteziană. Obiectele nu sunt accelerate de o forță invizibilă, ci mai degrabă călătoresc pe o cale determinată de influența tuturor diferitelor forme de energie din Univers.

Aceasta este gravitația.

Pe de altă parte, avem alte legi ale naturii: cele cuantice. Există electromagnetismul, care este responsabil de particulele încărcate electric, de mișcarea lor și care este descris de fotonul purtător de forță, care acționează ca mediator în aceste interacțiuni și ne oferă fenomene pe care le asociem cu electrostatică și magnetism. Există, de asemenea, două forțe nucleare: forța nucleară slabă, care este responsabilă pentru fenomene precum dezintegrarea radioactivă, și forța nucleară puternică, care ține nucleele atomice împreună și permite existența protonilor și neutronilor.

Calculele pentru aceste forțe apar de obicei în spațiu-timp plat, care este locul în care fiecare student își începe studiul teoriei câmpurilor cuantice. Dar acest lucru nu este suficient atunci când suntem prezenți în spațiul curbat, așa cum este dictat de relativitatea generală.

„Așadar”, spuneți, „ne vom efectua doar calculele teoriei câmpului pe fundalul spațiului curbat!” Aceasta este cunoscută sub numele de gravitație semiclasică, iar acest tip de calcul ne permite să calculăm lucruri precum radiația Hawking. Dar chiar și acest lucru este disponibil doar la orizontul găurii negre în sine și nu acolo unde gravitația va fi în toată gloria ei. Există multe cazuri fizice în care am beneficia de o teorie cuantică a gravitației și toate implică fizica gravitațională la cele mai mici scale, la distanțe mici.

Ce se întâmplă, de exemplu, în regiunile centrale ale găurilor negre? S-ar putea să vă gândiți: „Oh, există o singularitate acolo”, dar o singularitate nu este atât un punct cu densitate infinită, cât este un exemplu în care instrumentul matematic al relativității generale scuipă răspunsuri fără sens la întrebări despre potențiale și forțe. Ce se întâmplă când un electron trece printr-o fantă dublă? Câmpul gravitațional trece prin ambele fante? Sau dupa una? Teoria generală a relativității nu spune nimic despre asta.

Se crede că trebuie să existe o teorie cuantică a gravitației care să explice aceste și alte probleme inerente unei teorii „netede” a gravitației precum relativitatea generală. Pentru a explica ce se întâmplă la distanțe scurte în prezența surselor gravitaționale - sau a maselor - avem nevoie de o teorie a gravitației cuantică, discretă și, prin urmare, bazată pe particule.

Datorită proprietăților relativității generale în sine, știm deja ceva.

Forțele cuantice cunoscute sunt determinate de acțiunea particulelor cunoscute sub numele de bosoni sau particule cu spin întreg. Fotonii mediază forța electromagnetică, bosonii W și Z mediază forța nucleară slabă, iar gluonii mediază forța nucleară puternică. Toate aceste particule au un spin de 1, iar pentru particulele masive spinul poate fi -1, 0 sau +1, în timp ce pentru particulele fără masă (cum ar fi gluonii și fotonii) poate fi doar -1 sau +1.

Bosonul Higgs este, de asemenea, un boson, dar nu acționează ca intermediar pentru forțe și are un spin de 0. Din câte știm gravitația - GTR este o teorie tensorală a gravitației - mediatorul său ar trebui să fie o particulă fără masă cu spin 2 , ceea ce înseamnă că rotirea sa poate lua doar valoarea -2 sau +2.

Se pare că știm ceva despre teoria cuantică a gravitației chiar înainte de a încerca să o formulăm. Știm acest lucru pentru că oricare ar fi teoria cuantică a gravitației, ea trebuie să fie în concordanță cu relativitatea generală atunci când avem de-a face cu distanțele cele mai mici până la particule sau obiecte masive, la fel cum relativitatea generală trebuie redusă la gravitația newtoniană în regimul câmpului slab. .

Marea întrebare, desigur, este cum să faci asta. Cum se cuantifică gravitația astfel încât să fie corectă (în descrierea realității), corelată cu relativitatea generală și QFT și să conducă la predicții calculabile ale unor noi fenomene care pot fi observate, măsurate sau verificate.

Concurentul principal, după cum știți, este teoria corzilor.

Teoria corzilor este un domeniu interesant care include toate modelele standard de câmpuri și particule, fermioni și bozoni. Include o teorie tensor-scalară a gravitației cu 10 dimensiuni: cu 9 dimensiuni spațiale și 1 timp și un parametru de câmp scalar. Dacă eliminăm șase dintre aceste dimensiuni spațiale (printr-un proces neînțeles pe deplin pe care oamenii îl numesc compactare) și lăsăm parametrul (ω), care definește interacțiunea scalară, să meargă la infinit, putem restabili relativitatea generală.

Cu toate acestea, teoria corzilor are o serie de probleme fenomenologice. Una dintre ele este că teoria implică un număr mare de particule noi, inclusiv toate cele supersimetrice, pe care nu le-am descoperit încă. Acesta susține că nu este nevoie de „parametrii liberi” pe care îi are Modelul Standard (pentru masele de particule), dar înlocuiește această problemă cu una și mai gravă. Când vorbim despre 10^500 de soluții posibile, aceste soluții se referă la valorile așteptate ale câmpurilor șir, și nu există niciun mecanism de reconstrucție a acestora; pentru ca teoria corzilor să funcționeze, ar trebui să renunți la dinamică și să spui doar „trebuia să fie ales antropic”.

Cu toate acestea, teoria corzilor nu este singurul jucător în acest domeniu.

Gravitație cuantică în buclă

PKG este un mod interesant de a privi problema: mai degrabă decât să încerce să cuantizeze particulele, PKG susține că spațiul în sine este discret. Cum este reprezentată de obicei gravitația: o foaie întinsă cu o minge de bowling în centru. De asemenea, știm că foaia este de obicei cuantizată, adică este alcătuită din molecule, care sunt formate din atomi, care sunt formate din nuclee (quarci și gluoni) și electroni.

Spațiul poate fi același! Deoarece acționează ca o țesătură, constă din elemente cuantificate finite. Și, poate, țesut din „bucle”, de unde provine numele său. Conectați aceste bucle împreună și obțineți o rețea care reprezintă starea cuantică a câmpului gravitațional. Conform acestei imagini, nu numai materia este cuantificată, ci și spațiul însuși. Acest domeniu științific este încă în curs de dezvoltare.

Gravitație sigură asimptotic

Libertatea asimptotică a fost dezvoltată în anii 1970 pentru a explica natura neobișnuită a forței puternice: a fost o forță foarte slabă pe distanțe extrem de scurte, care a devenit mai puternică pe măsură ce particulele încărcate se deplasau din ce în ce mai departe. Spre deosebire de electromagnetism, care avea o constantă de interacțiune mică, interacțiunea puternică a avut una mare. Datorită unor proprietăți interesante ale cromodinamicii cuantice, dacă vă asociați cu un sistem neutru (colorat), puterea interacțiunii scade rapid. Acest lucru ar putea fi explicat prin dimensiunile fizice ale barionilor (protoni și neutroni, de exemplu) și mezonilor (pioni, de exemplu).

Libertatea asimptotică, pe de altă parte, a rezolvat problema fundamentală cu aceasta: nu doriți interacțiuni mici, cuplari (sau cuplari care tind spre zero), ci mai degrabă cuplari care vor fi pur și simplu finite la limita de energie înaltă. Toate constantele de cuplare variază în funcție de energie, iar libertatea asimptotică stabilește un punct fix de energie mare pentru constantă (din punct de vedere tehnic, pentru grupul de renormalizare din care este extrasă constanta de cuplare) și orice altceva poate fi calculat pentru energii joase.

Cel puțin asta e ideea. Ne-am dat seama cum să facem acest lucru pentru 1 + 1 dimensiuni (una spațială și una de timp), dar nu pentru 3 + 1. Cu toate acestea, se înregistrează progrese, mulțumită în mare parte lui Christoph Wetterich, care a publicat două lucrări monumentale în anii 90. Mai recent, Wetterich a folosit libertatea asimptotică – cu doar șase ani în urmă – pentru a calcula o predicție a masei bosonului Higgs înainte ca LHC să o găsească. Rezultatul?

În mod surprinzător, predicțiile sale au coincis perfect cu descoperirile LHC. Aceasta este o predicție atât de excelentă încât, dacă siguranța asimptotică este corectă și masele quarcului superior, bosonului W și bosonului Higgs sunt în sfârșit stabilite, fizica nu va avea nevoie de alte particule fundamentale pentru a funcționa constant până la valorile Planck.

Deși gravitația sigură asimptotic nu a primit prea multă atenție, ea rămâne o teorie foarte atractivă și promițătoare, ca și teoria corzilor: cuantifică cu succes gravitația, reduce relativitatea generală la limita de energie scăzută și rămâne UV-finită. De asemenea, bate teoria corzilor într-un fel: nu are un munte întreg de material nou pe care să nu-l putem dovedi încă.

Triangularea dinamică cauzală

Această idee este destul de nouă și a fost dezvoltată în 2000 de Renata Loll în colaborare cu alți oameni de știință. Este de acord cu gravitația cuantică în buclă, deoarece spațiul este discret, dar este preocupat în primul rând de modul în care spațiul respectiv evoluează. Una dintre proprietățile interesante ale acestei idei este că timpul trebuie să fie și discret. Ca rezultat, obținem un spațiu-timp cu patru dimensiuni în timpul prezent, dar la energii foarte mari și distanțe mici (pe scara Planck) apare ca o structură bidimensională. Se bazează pe o structură matematică numită simplex, care este o generalizare n-dimensională a unui triunghi. Un 2-simplex este un triunghi, un 3-simplex este un tetraedru și așa mai departe. Una dintre trăsăturile „frumoase” ale acesteia vine sub forma cauzalității – un concept cunoscut de mulți – care se păstrează în triangulația dinamică cauzală. Poate fi capabil să explice gravitația, dar nu este 100% clar dacă Modelul Standard al particulelor elementare se poate încadra în acest cadru.

Gravitația emergentă (indusă).

Poate cea mai controversată dintre teoriile recente ale gravitației cuantice este gravitația entropică, propusă de Eric Verlinde în 2009, conform căreia gravitația nu este o forță fundamentală, ci mai degrabă apare ca un fenomen legat de entropie. De fapt, rădăcinile gravitației emergente se întorc la descoperitorul condițiilor pentru formarea asimetriei materie-antimaterie, Andrei Saharov, care a propus această idee încă din 1967. Lucrarea este încă la început, dar s-au înregistrat unele progrese în domeniu în ultimii 5-10 ani.

Aceasta este ceea ce avem astăzi despre gravitația cuantică. Suntem încrezători că fără ea nu vom înțelege funcționarea Universului la un nivel fundamental, dar nu avem idee în care dintre cele cinci (și alte) direcții prezentate va fi corectă mișcarea. publicat

• Traducere

Doi candidați pentru o „teorie a totul”, considerată mult timp incompatibilă, se pot dovedi a fi două fețe ale aceleiași monede.

Au trecut optzeci de ani de când fizicienii și-au dat seama că teoriile mecanicii cuantice și gravitația sunt incompatibile, iar misterul combinării lor rămâne nerezolvat. În ultimele decenii, cercetătorii au studiat această problemă în două moduri diferite - prin teoria corzilor și prin gravitația cuantică - pe care oamenii de știință care le practică le consideră incompatibile. Dar unii oameni de știință susțin că pentru a avansa este necesar să ne unim forțele.

Dintre încercările de a unifica teoria cuantică și gravitația, cea care a atras cel mai mult atenția este . Premisa sa este simplă: totul este făcut din snururi mici. Corzile pot fi închise sau deschise; ele pot vibra, întinde, combina sau dezintegra. Și în această diversitate se află explicațiile pentru toate fenomenele observabile, inclusiv materia și spațiu-timp.

Gravitația cuantică în buclă (LQG), în schimb, pune mai puțin accent pe materia prezentă în spațiu-timp și se concentrează mai mult pe proprietățile spațiu-timpului însuși. În teoria PKG, spațiu-timp este o rețea. Fundalul neted al teoriei gravitației lui Einstein este înlocuit de noduri și legături cărora li se atribuie proprietăți cuantice. Astfel, spațiul este format din piese separate. PKG studiază în principal aceste piese.

Această abordare a fost mult timp considerată incompatibilă cu teoria corzilor. Într-adevăr, diferențele dintre ele sunt evidente și profunde. Pentru început, PCG studiază bucăți de spațiu-timp, iar teoria corzilor studiază comportamentul obiectelor în spațiu-timp. Aceste zone au, de asemenea, provocări tehnice. Teoria corzilor cere să existe 10 dimensiuni în spațiu; PKG nu funcționează în dimensiuni mai mari. Teoria corzilor presupune existența supersimetriei, în care toate particulele au parteneri încă nedescoperiți. Supersimetria nu este caracteristică PCG.

Aceste și alte diferențe au împărțit comunitatea fizicii teoretice în două tabere. „Conferințele sunt împărțite”, spune Dorge Pullin, fizician la Universitatea de Stat din Louisiana și coautor al unui manual despre PCG. – Jucătorii de buclă merg la conferințe de buclă, jucătorii de șir merg la conferințe de șir. Acum nici măcar nu merg la conferințe despre „fizică”. Cred că este destul de nefericit”.

Dar unii factori pot apropia aceste tabere. Noile descoperiri teoretice au dezvăluit posibile asemănări între PKG și teoria corzilor. O nouă generație de teoreticieni a corzilor a depășit teoria corzilor și a început să caute metode și instrumente care ar putea fi utile în crearea unei „teorii a tuturor”. Iar paradoxul recent al pierderii de informații în găurile negre i-a făcut pe toți să se simtă mai umili.

Mai mult, în absența unor dovezi experimentale pentru teoria corzilor sau PKG, dovada matematică că acestea sunt două fețe ale aceleiași monede ar oferi dovezi că fizicienii se mișcă în direcția corectă în căutarea unei „teorii a tuturor”. Combinația dintre PKG și teoria corzilor ar face noua teorie unică.

O conexiune neașteptată

„Este dificil să introduci structuri discrete fără a te confrunta cu probleme SRT”, spune Pullin. Într-o lucrare din 2014 scrisă împreună cu colegul Rudolfo Gambini, fizician la Universidad Republican de Uruguay din Montevideo, Pullin scrie că alinierea PKG cu STR implică inevitabil apariția unor interacțiuni similare celor prezente în teoria corzilor.

Că cele două abordări aveau ceva în comun i s-a părut probabil lui Pullin de la o descoperire fundamentală la sfârșitul anilor 1990 de către Juan Malzadena, fizician la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey. Malzadena, în spațiu-timp anti-De Sitter (AdS), a reconciliat teoria gravitației și teoria câmpului conform (CFT) la limita spațiu-timpului. Folosind abordarea AdS/CFT, teoria gravitației poate fi descrisă folosind o teorie a câmpului mai ușor de înțeles.

Versiunea completă a dualismului este încă o ipoteză, dar are un caz limită bine înțeles cu care teoria corzilor nu se ocupă. Deoarece corzile nu joacă un rol în acest caz, poate fi folosit în orice teorie a gravitației cuantice. Pullin vede un punct comun aici.

PKG așa cum a fost imaginat de un artist

Hermann Verlinde, un fizician teoretician la Universitatea Princeton care lucrează frecvent cu teoria corzilor, spune că este plauzibil că metodele PKG ar putea face lumină asupra laturii gravitaționale a dualismului. Într-o lucrare recentă, el a descris un model simplificat AdS/CFT în două dimensiuni pentru spațiu și una pentru timp sau, după cum spun fizicienii, în cazul „2+1”. El a descoperit că spațiul AdS poate fi descris folosind rețele precum cele utilizate în PCG. Chiar dacă întregul design încă funcționează în 2+1, oferă un nou mod de a gândi gravitația. Verlinde speră să generalizeze modelul la mai multe dimensiuni. „PKG a fost privit prea îngust. Abordarea mea include și alte domenii. Din punct de vedere intelectual, aceasta este o privire în viitor”, a spus el.

Dar chiar dacă este posibil să combinați metodele PKG și teoria corzilor pentru a merge mai departe cu spațiul AdS, întrebarea rămâne: cât de utilă va fi o astfel de combinație? Spațiul AdS are o constantă cosmologică negativă (acest număr descrie geometria Universului la scară mare), în timp ce Universul nostru are una pozitivă. Nu trăim într-o construcție matematică descrisă de spațiul AdS.

Abordarea lui Verlinde este pragmatică. „De exemplu, pentru o constantă cosmologică pozitivă, este posibil să avem nevoie de o nouă teorie. Întrebarea este atunci cât de diferit va fi de acesta. AdS este cel mai bun indiciu de până acum al structurii pe care o căutăm și trebuie să facem un truc pentru a ajunge la o constantă pozitivă.” El crede că oamenii de știință nu își pierd timpul cu această teorie: „Deși AdS nu descrie lumea noastră, ne va oferi lecții care ne vor conduce în direcția corectă”.

Unificarea pe teritoriul unei găuri negre

Dar această problemă este importantă nu numai pentru teoreticienii corzilor. „Toată această dezbatere despre firewall a fost în mare parte în comunitatea teoreticienilor șirurilor, ceea ce nu înțeleg”, a spus Verlinde. „Problemele despre informațiile cuantice, încâlcirea și construcția spațiului matematic Hilbert sunt ceea ce experții PCG au lucrat.”

În acest moment, un eveniment a avut loc neobservat de majoritatea specialiștilor în corzi - căderea barierei ridicate prin supersimetrie și dimensiuni suplimentare. Grupul lui Thomas Tiemann de la Universitatea din Erlangen-Nürnberg (Germania) a extins PKG la dimensiuni mai mari și a inclus supersimetria - concepte care anterior erau domeniul exclusiv al teoriei corzilor.

Recent, Norbert Bodendorfer, un fost student al lui Tiemann care lucrează la Universitatea din Varșovia, a aplicat metode de cuantificare a buclei de la PCG în spațiul AdS. El susține că PKG este util pentru a face față dualității AdS/CFT în cazurile în care teoreticienii corzilor nu pot face calcule gravitaționale. Bodendorfer crede că decalajul care a existat între PKG și corzi dispare. „Uneori am avut impresia că teoreticienii corzilor înțeleg foarte puțin PKG și nu vor să vorbească despre asta”, a spus el. „Dar specialiştii mai tineri dau dovadă de deschidere la minte. Sunt foarte interesați de ceea ce se întâmplă la intersecția regiunilor.”

„Cea mai mare diferență este modul în care ne definim întrebările”, spune Verlinde. „Problema este mai mult sociologică decât științifică, din păcate.” El nu crede că cele două abordări sunt în conflict: „Întotdeauna m-am gândit că teoria corzilor și PKG fac parte din aceeași descriere. PKG este o metodă, nu o teorie. Aceasta este o metodă de a gândi despre mecanica cuantică și geometrie. Aceasta este o metodă pe care teoreticienii corzilor o pot folosi și o fac deja. Aceste lucruri nu se exclud reciproc.”

Dar nu toată lumea este convinsă. Moshe Rozali, un teoretician al corzilor la Universitatea din Columbia Britanică, rămâne sceptic cu privire la PKG: „Motivul pentru care nu lucrez la PKG este că are probleme cu SRT”, spune el. „Dacă abordarea ta este lipsită de respect față de simetriile din relativitatea specială încă de la început, vei avea nevoie de un miracol la unul dintre pașii intermediari.” Cu toate acestea, potrivit lui Rosalie, unele dintre instrumentele matematice care provin de la PCG pot fi utile. „Nu cred că este posibil să combinați PKG și teoria corzilor. Dar oamenii au nevoie de obicei de metode și, în acest sens, sunt asemănătoare. Metodele matematice se pot suprapune.”

De asemenea, nu toți adepții PCG se așteaptă la o fuziune a celor două teorii. Carlo Rovelli, fizician la Universitatea din Marsilia și fondator al teoriei PCG crede în dominația teoriei sale. „Comunitatea stringurilor nu este la fel de arogantă ca acum zece ani, mai ales după dezamăgirea lipsei particulelor supersimetrice”, spune el. – Este posibil ca cele două teorii să facă parte dintr-o singură soluție... dar cred că este puțin probabil. În opinia mea, teoria corzilor nu a reușit să ofere ceea ce a promis în anii 1980 și este una dintre acele idei care arată frumos, dar nu descriu lumea reală, de care istoria științei a fost plină. Nu înțeleg cum oamenii își mai pot pune speranța în ea.”

Pullin crede că este prematur să declari victoria: „Aderenții PCG spun că teoria lor este singura corectă. Nu mă voi înscrie pentru asta. Mi se pare că ambele teorii sunt extrem de incomplete”.

Etichete:

• teoria corzilor
• teoria corzilor
• gravitație cuantică buclă

YouTube enciclopedic

• 1 / 5

  Fondatorii „teoriei cuantice bucle a gravitației” în anii 80 ai secolului XX sunt Lee Smolin, Abey Ashtekar, Ted Jacobson (Engleză)Și Carlo Rovelli [elimina șablonul] . Conform acestei teorii, spațiul și timpul constau din părți discrete. Aceste celule cuantice mici ale spațiului sunt conectate între ele într-un anumit fel, astfel încât la scară mică de timp și lungime ele creează o structură pestriță, discretă a spațiului, iar la scară mare se transformă lin în spațiu-timp continuu neted.

  Gravitația buclei și fizica particulelor

  Unul dintre avantajele teoriei cuantice bucle a gravitației este naturalețea cu care explică Modelul standard al fizicii particulelor.

  Astfel, Bilson-Thompson și coautorii săi au propus că teoria gravitației cuantice bucle ar putea reproduce modelul standard unificând automat toate cele patru interacțiuni fundamentale. În același timp, cu ajutorul preonilor, prezentați sub formă de brad (țesături din spațiu-timp fibros), a fost posibilă construirea unui model de succes al primei generații de fermioni fundamentali (quarci și leptoni) cu o mai mare sau mai mare măsură. reproducerea mai puțin corectă a taxelor și parităților lor.

  Lucrarea originală Bilson-Thompson a sugerat că fermionii fundamentali de a doua și a treia generație ar putea fi reprezentați ca brad mai complexe, iar fermionii de prima generație ca fiind cei mai simple brad posibil, deși nu au fost date reprezentări specifice ale bradurilor complexe. Se crede că sarcinile electrice și de culoare, precum și paritatea particulelor aparținând generațiilor de rang superior, ar trebui obținute exact în același mod ca și pentru particulele din prima generație. Utilizarea metodelor de calcul cuantic a făcut posibil să se arate că particulele de acest fel sunt stabile și nu se degradează sub influența fluctuațiilor cuantice.

  Structurile tip panglică din modelul Bilson-Thompson sunt reprezentate ca entități care constau din aceeași materie ca spațiu-timp însuși. Deși lucrările Bilson-Thompson arată cum se pot obține fermionii și bosonii din aceste structuri, întrebarea cum ar putea fi obținut bosonul Higgs folosind brading nu este discutată în ele.

  L. Freidel ( L. Freidel), J. Kowalski-Glickman ( J. Kowalski-Glikman) și A. Starodubtsev în lucrarea lor din 2006 au sugerat că particulele elementare pot fi reprezentate folosind liniile Wilson ale unui câmp gravitațional, ceea ce implică faptul că proprietățile particulelor (masa, energia și spinul lor) pot corespunde proprietăților buclelor Wilson - obiectele de bază. a teoriei gravitației cuantice bucle . Această lucrare poate fi văzută ca un suport teoretic suplimentar pentru modelul preon Bilson–Thompson.

  Folosind formalismul model spina spuma, care este direct legată de teoria gravitației cuantice în buclă, și bazată doar pe principiile inițiale ale acesteia din urmă, este, de asemenea, posibilă reproducerea altor particule ale modelului standard, cum ar fi fotoni, gluoni și gravitoni - indiferent de Bradson. -Schema Thompson pentru fermioni. Cu toate acestea, din 2006, nu a fost încă posibil să se construiască modele helon folosind acest formalism. Modelul helon nu conține brad care ar putea fi folosiți pentru construirea bosonului Higgs, dar în principiu acest model nu neagă posibilitatea existenței acestui boson sub forma unui fel de sistem compozit. Bilson-Thompson observă că, deoarece particulele cu mase mai mari au în general o structură internă mai complexă (inclusiv răsucirea bradurilor), această structură poate fi legată de mecanismul de formare a masei. De exemplu, în modelul Bilson-Thompson, structura unui foton cu masă zero corespunde cu brads nerăsuciți. Adevărat, rămâne neclar dacă modelul fotonic obținut în cadrul formalismului spumei de spin corespunde fotonului Bilson-Thompson, care în modelul său constă din trei panglici nerăsucite (este posibil ca mai multe versiuni ale modelului de fotoni să poată fi construite în cadrul spumei de spin. formalism).

  Inițial, conceptul de „preon” a fost folosit pentru a desemna subparticulele punctuale incluse în structura fermionilor cu semi-spin (leptoni și quarci). După cum sa menționat deja, utilizarea particulelor punctiforme duce la paradoxul masei. În modelul Bilson-Thompson, panglicile nu sunt structuri punctuale „clasice”. Bilson-Thompson folosește termenul „preon” pentru a menține continuitatea în terminologie, dar cu acest termen se referă la o clasă mai largă de obiecte care sunt componente ale structurii quarcilor, leptonilor și bosonilor gauge.

  Important pentru înțelegerea abordării Bilson-Thompson este că în modelul său preon, particulele elementare, cum ar fi electronul, sunt descrise în termeni de funcții de undă. Suma stărilor cuantice ale unei spume spin care are faze coerente este, de asemenea, descrisă în termeni de funcție de undă. Prin urmare, este posibil ca folosind formalismul spumei spin să se obțină funcții de undă corespunzătoare particulelor elementare (fotoni și electroni). În prezent, combinarea teoriei particulelor elementare cu teoria gravitației cuantice în buclă este un domeniu foarte activ de cercetare.

  În octombrie 2006, Bilson-Thompson și-a modificat lucrarea, menționând că, deși modelul său a fost inspirat de modele preon, nu este preon în sensul strict al cuvântului, așa că diagramele topologice din modelul său preon pot fi folosite cel mai probabil în alte teorii fundamentale. , cum ar fi, de exemplu, teoria M. Restricțiile teoretice impuse modelelor preon nu sunt aplicabile modelului său, deoarece în el proprietățile particulelor elementare nu provin din proprietățile subparticulelor, ci din conexiunile acestor subparticule între ele (brads). O posibilitate este, de exemplu, „încorporarea” preonilor în teoria M sau în teoria gravitației cuantice în buclă.

  Sabine Hossenfelder a propus să se ia în considerare doi candidați alternativi pentru o „teorie a totul” - teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă - ca fețe ale aceleiași monede. Pentru a ne asigura că gravitația cuantică în buclă nu contrazice teoria relativității speciale, este necesar să se introducă interacțiuni similare cu cele considerate în teoria corzilor. .

  Probleme de teorie

  Într-o versiune modificată a lucrării sale, Bilson-Thompson admite că problemele nerezolvate din modelul său rămân spectrul de masă al particulelor, spinurile, amestecarea Cabibbo și necesitatea de a lega modelul său de teorii mai fundamentale.

  O versiune ulterioară a articolului descrie dinamica brads folosind mișcările Pachner.