Теория струн встречается с петлевой квантовой гравитацией

Автор оригинала: Sabine Hossenfelder
  • Перевод

Два кандидата на «теорию всего», долгое время считавшиеся несовместимыми, могут оказаться двумя сторонами одной медали.


image

Восемьдесят лет прошло с тех пор, как физики поняли, что теории квантовой механики и гравитации несовместимы, и загадка их комбинирования остаётся неразрешённой. За последние десятилетия исследователи изучали эту задачу двумя разными путями – через теорию струн и через квантовую гравитацию – которые практикующие их учёные считают несовместимыми. Но некоторые учёные доказывают, что для продвижения необходимо объединить усилия.

Среди попыток объединения квантовой теории и гравитации больше всего внимания привлекла теория струн. Её предпосылка проста: всё состоит из маленьких струн. Струны могут быть замкнуты или разомкнуты; они могут вибрировать, растягиваться, объединяться или распадаться. И в этом многообразии лежат объяснения всех наблюдаемых явлений, включая материю и пространство-время.

Петлевая квантовая гравитация (ПКГ), наоборот, придаёт меньше значения материи, присутствующей в пространстве-времени, и больше концентрируется на свойствах самого пространства-времени. В теории ПКГ пространство-время – это сеть. Плавный фон теории гравитации Эйнштейна заменяется узлами и звеньями, которым назначаются квантовые свойства. Таким образом, пространство состоит из отдельных кусочков. ПКГ в основном занимается изучением этих кусочков.

Этот подход долгое время считался несовместимым с теорией струн. В самом деле, их различия очевидны и глубоки. Для начала, ПКГ изучает кусочки пространства-времени, а теория струн исследует поведения объектов в пространстве-времени. Эти области разделяют и технические проблемы. Теории струн необходимо, чтобы в пространстве было 10 измерений; ПКГ в высших измерениях не работает. Теория струн предполагает наличие суперсимметрии, в которой у всех частиц есть пока не обнаруженные партнёры. Суперсимметрия не свойственна ПКГ.

Эти и другие различия разбили сообщество физиков-теоретиков на два лагеря. «Конференции разделяются, — говорит Дордж Пуллин, физик из Университета штата Луизиана и соавтор учебника по ПКГ. – Петлевики ездят на петлевые конфы, струнники – на струнные. Они теперь даже не ездят на конференции по „физике“. Я думаю, что это весьма прискорбно».

Но некоторые факторы могут сдвинуть эти лагеря поближе. Новые теоретические открытия выявили возможные сходства между ПКГ и теорией струн. Новое поколение струнных теоретиков вышло за пределы струнной теории и начало поиски методов и инструментов, могущих оказаться полезными для создания «теории всего». И недавний парадокс с потерей информации в чёрных дырах заставил всех почувствовать себя скромнее.

Более того, в отсутствие экспериментальных подтверждений струнной теории или ПКГ, математическое доказательство того, что они являются двумя сторонами одной монеты, послужило бы доводом в пользу того, что физики в поисках «теории всего» движутся в верном направлении. Комбинация ПКГ и струнной теории сделала бы новую теорию единственной.

Неожиданная связь


Попытки решить некоторые проблемы ПКГ привели к первой неожиданной связи с теорией струн. У изучающих ПКГ физиков нет чёткого понимания того, как перейти от кусочков сети пространства-времени к крупномасштабному описанию пространства-времени, совпадающему с ОТО Эйнштейна – нашей лучшей теорией гравитации. Более того, их теория не может примириться с тем особым случаем, в котором гравитацией можно пренебречь. Это проблема, подстерегающая любую попытку использования пространства-времени по кусочкам: в СТО линейные размеры объекта уменьшаются в зависимости от движения наблюдателя относительно объекта. Сжатие также влияет и на размер кусочков пространства-времени, которые воспринимаются по-разному наблюдателями, движущимися на разных скоростях. Это расхождение приводит к проблемам с центральным принципом теории Эйнштейна – что законы физики не зависят от скорости наблюдателя.

«Сложно вводить дискретные структуры, не испытывая проблем с СТО»,- говорит Пуллин. В своей работе, написанной в 2014 году с коллегой Рудольфо Гамбини, физиком из Республиканского университета Уругвая в Монтевидео, Пуллин пишет, что приведение ПКГ в соответствие с СТО неизбежно влечёт за собой появление взаимодействий, похожих на присутствующие в теории струн.

То, что у этих двух подходов есть что-то общее, казалось Пуллину вероятным со времён плодотворного открытия, сделанного в конце 1990-з Хуаном Малцаденой, физиком из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Малцадена в антидеситтеровском пространстве-времени (AdS) привёл в соответствие теорию гравитации и конформную теорию поля (CFT) на границе пространства-времени. Используя подход AdS/CFT, теорию гравитации можно описать при помощи более понятной теории поля.

Полная версия дуализма пока является гипотезой, но у неё есть хорошо разобранный ограничивающий случай, к которому не имеет отношения теория струн. Из-за того, что струны в этом случае не играют роли, его можно использовать в любой теории квантовой гравитации. Пуллину видится здесь точка соприкосновения.


ПКГ в представлении художника

Герман Верлинде, физик-теоретик из Принстонского университета, частенько работающий с теорией струн, считает правдоподобным то, что методы ПКГ могут пролить свет на гравитационную сторону дуализма. В недавней работе он описал упрощённую модель AdS/CFT в двух измерениях для пространства и одного для времени, или, как говорят физики, в случае «2+1». Он обнаружил, что пространство AdS можно описать при помощи таких сетей, что используются в ПКГ. Несмотря на то, что вся конструкция пока работает в «2+1», она предлагает новый взгляд на гравитацию. Верлинде надеется обобщить модель для большего количества измерений. «На ПКГ смотрели слишком узко. Мой подход включает и другие области. В интеллектуальном смысле это взгляд в будущее»,- сказал он.

Но даже если удастся скомбинировать методы ПКГ и струнной теории, чтобы продвинуться вперёд с пространством AdS, останется вопрос: насколько такая комбинация окажется полезной? У пространства AdS космологическая константа отрицательная (это число описывает геометрию Вселенной на больших масштабах), а у нашей Вселенной – положительная. Мы не живём в математической конструкции, описываемой пространством AdS.

Подход Верлинде прагматичен. «Например, для положительной космологической константы нам может понадобиться новая теория. Тогда вопрос в том, насколько она будет отличаться от этой. AdS пока – наилучший намёк на искомую структуру, и нам нужно совершить какой-то трюк, чтобы прийти к положительной константе». Он считает, что учёные не теряют время с этой теорией зря: «Хотя AdS и не описывает наш мир, она даст нам уроки, которые поведут нас в нужном направлении».

Объединение на территории чёрной дыры


Верлинде и Пуллин указывают на ещё одну возможность объединения сообществ струнной теории и ПКГ: загадочная судьба информации, попадающей в чёрную дыру. В 2012 году четверо исследователей из Калифорнийского университета обратили внимание на противоречие в господствующей теории. Они утверждали, что если чёрная дыра позволит информации убегать из неё, это уничтожит тонкую структуру пустого пространства вокруг горизонта чёрной дыры, и создаст высокоэнергетический барьер – «файервол». Но такой барьер несовместим с принципом эквивалентности, лежащим в основе ОТО, утверждающим, что наблюдатель не может сказать, пересёк ли он горизонт. Эта несовместимость внесла возмущение в ряды струнных теоретиков, считавших, что понимают связь чёрных дыр с информацией, и вынужденных снова схватиться за свои записные книжки.

Но эта проблема важна не только для струнных теоретиков. «Весь этот спор вокруг файерволов вёлся в основном в сообществе струнных теоретиков, чего я не понимаю,- сказал Верлинде. – Вопросы квантовой информации, запутанности и постройки математического Гилбертова пространства – это то, над чем работали специалисты по ПКГ».

В это время произошло незамеченное большинством специалистов по струнам событие – падение барьера, возведённого суперсимметрией и дополнительными измерениями. Группа Томаса Тиманна [Thomas Thiemann] в Университете Эрлангена — Нюрнберга (Германия) распространила ПКГ на высшие измерения и включила в неё суперсимметрию – а эти понятия раньше были территорией исключительно теории струн.

Недавно Норберт Бодендорфер [Norbert Bodendorfer], бывший студент Тиманна, работающий в Варшавском университете, применил методы петлевой квантификации из ПКГ к пространству AdS. Он утверждает, что ПКГ полезно для работы с дуальностью AdS/CFT в тех случаях, когда струнные теоретики не могут проводить гравитационные подсчёты. Бодендорфер считает, что существовавшая между ПКГ и струнами пропасть исчезает. «Иногда у меня складывалось впечатление, что струнные теоретики очень плохо разбираются в ПКГ и не хотят говорить об этом,- сказал он. – Но более молодые специалисты демонстрируют открытость взглядов. Им очень интересно, что происходит на стыке областей».

«Самое большое различие состоит в том, как мы определяем наши вопросы,- говорит Верлинде. – Проблема больше социологическая, а не научная, к сожалению». Он не думает, что два подхода конфликтуют: «Я всегда считал струнную теорию и ПКГ частями одного описания. ПКГ это метод, а не теория. Это метод размышления над квантовой механикой и геометрией. Это метод, который струнные теоретики могут использовать, и уже используют. Эти вещи не исключают друг друга».

Но не все уверены в этом Моше Розали [Moshe Rozali], струнный теоретик из Университета Британской Колумбии, сохраняет скептицизм по поводу ПКГ: «Я не работаю над ПКГ потому, что у неё есть проблемы с СТО,- говорит он. – Если ваш подход с самого начала без уважения относится к симметриям в СТО, вам потребуется чудо на одном из промежуточных шагов». Тем не менее, по словам Розали, некоторые математические инструменты, пришедшие из ПКГ, могут пригодиться. «Не думаю, что существует возможность объединения ПКГ и струнной теории. Но людям обычно нужны методы, и в этом смысле они похожи. Математические методы могут пересекаться».

Также и не все приверженцы ПКГ ждут слияния двух теорий. Карло Ровелли, физик из Марсельского университета и основатель теории ПКГ верит в преобладание своей теории. «Сообщество любителей струн уже не такое заносчивое, как десять лет назад, особенно после жестокого разочарования отсутствием суперсимметричных частиц,- говорит он. – Возможно, что две теории могут быть частями одного решения… но я думаю, вряд ли. По-моему, струнная теория не смогла дать то, что она обещала в 80-х годах, и представляет собою одну из тех идей, что выглядят симпатично, но не описывают реальный мир, которых в истории науки было полно. Не понимаю, как люди ещё могут возлагать на неё надежды».

Пуллин же считает, что объявлять победу преждевременно: «Приверженцы ПКГ говорят, что их теория единственно верна. Я под этим не подпишусь. Мне кажется, что обе теории чрезвычайно неполны».

Комментарии 33

    +1
    Что-то статья как будто бы немножко в духе лекции о жизни на Марсе из «Карнавальной Ночи»… Вроде, умная, а никаких выводов, кроме как «наука ещё не дошла», из неё не выходит
      +3
      А что вы хотели? Про теорию струн очень хорошо сказано на лурке: «Содержание матана, функана и теории функций комплексной переменной в этой теории заведомо превышает летальные дозы, даже по сравнению с не менее мозголомными теорией относительности и квантовой механикой. Поэтому для 99.97% населения этой планеты хотя бы приблизительное понимание теории струн недоступно в принципе.»

      Наверняка то же можно сказать и о ПКГ.

      А о чем можно рассуждать, не понимая ни одной из теорий? Только об общих выводах: у обеих есть проблемы; «наука еще не дошла».
      –4
      Вообще, перевод spin-theory как теория струн, не совсем точна, и не отображает суть слова spin (вращение).
      То есть вроде бы и струны, но для чего им суперсимметрия? А вот вращающимся чему-то там, оно как раз нужно.
        +4
        Вообще, перевод spin-theory как теория струн, не совсем точна

        Но ведь она string theory же.
          +2
          Прошу прощения ;(, поумнел.
            0
            Блин, а ведь в программировании так же — если тебе нужен тип которым можно представить «все» — то это string :)
          0
          Обе «теории» — не подтвержденные НИЧЕМ гипотезы, в настоящее время просто математика (математику не обижаю, упор на то, что это не физика). Что поделать, в физике высоких энергий кризис, известные элементарные частицы превращаются при столкновениях в самих себя, конец (шучу). Но ведь нужно как-то выдавать публикации пачками, устраивать конференции и становиться профессорами? Вот, есть такая деятельность, можно в ней участвовать. Небольшое усложнение, переход от точечных базовых объектов к одномерным, позволяет десятилетиями кормиться немалой части научного сообщества. Измышление гипотез стало вполне респектабельным занятием. Представьте, что ваш ноутбук это лишь четырехмерная проекция некоего юбердивайса, существующего в 30-мерном пространстве с двумя временными осями, при этом упомянутую проекцию можно осуществить 10^500 способами. Когда наша цивилизация перейдет в стадию IV или V по (расширенной) классификации Кардашева, это утверждение можно будет проверить. Наверное. Если не придумают новую «теорию», с 10^100^100 измерениями.
            0
            «Что поделать, в физике высоких энергий кризис, известные элементарные частицы превращаются при столкновениях в самих себя, конец (шучу).»

            Кризис — это громко сказано. В физике элементарных частиц достаточное число проблем, которые нужно еще решить. Вот небольшой список:
            http://elementy.ru/LHC/HEP/SM/problems
              0
              Вы правы, работы на самом деле много. Настоящей работы, связанной с анализом экспериментальных данных, с созданием новых, проверяемых моделей, итп. Один конфайнмент чего стоит. Сейчас это не котируется — много работать над старой проблемой, которая часто вообще не проблема, а научное направление. То ли дело громкий треск модных слов, возможность попиариться, премия Миллера, непроверяемые утверждения, и конечно же «Эту теорию понимают 1 — 5 человек во всем мире!».
          0
          Когда-то и теория теплорода имела неплохие успехи. И идея была в чем-то интересной. Но потом пришла термодинамика и выгнала всех из леса. Быть может, что-то подобное произойдет со временем и с теорией струн, и с ПКГ. Но пока что имеем то, что имеем. Людям приходится познавать мир постепенно.

          Что же касается проблем с СТО — при всех ее успехах, нельзя исключать того, что со временем придется отказаться от принципа относительности Эйнштейна так же, как в свое время отказались в его пользу от принципа относительности Галилея. В те времена тоже ведь наверняка отвергались все теории, которые противоречили последнему. Потребовались веские причины и длительное время, чтобы физики приняли такую замену.
            0
            Замечу, что от механики ньютона в расчетах не отказались, поэтому формулы СТО (тут формулы чуть сложнее) и ОТО (тут формулы совсем не сахар) с нами надолго.
              0
              Но формул и объяснений теории теплорода с нами нет. Я на это хотел обратить внимание. Законы термодинамики, полученные в рамках учения о теплороде, и сегодня с нами, просто они имеют теперь другие названия и другое объяснение. И вот не исключено, что то же может произойти с теорией струн и ПКГ. Они могут послужить основой, на которой будет разработано более простое и адекватное понимание природы человеком. А сами, как теплород — уйти в историю физики. Но, в отличие от механики Ньютона или классической термодинамики, не оставшись в практических применениях.
                0
                Кто вам такое сказал? На обычном обывательском уровне тепло представляют как теплород. Тепло перетекает с одного тела на другое — это просто проще понять и проще этим оперировать. Как и локально плоской землей из примера ниже.
                  0
                  На обычном обывательском уровне тепло представляют как теплород.

                  Простите, кто именно сегодня представляет тепло как теплород? Даже в школьной программе употребляется понятие «внутренняя энергия». Приводится масса опытов, в которых механическая и тепловая энергия переходят друг в друга, что противоречит теории теплорода. Наконец, в школьной же программе приводятся основы молекулярно-кинетической теории, объясняющей тепловые явления движением. Любой человек, имеющий хотя бы 8 классов школьного образования, не представляет тепло как теплород. Что это вокруг вас за обыватели такие собрались?

                  Оставаясь в рамках термодинамики, в принципе, нет необходимости объяснять природу тепла. Можно просто принять, что оно есть. Но и там не используется понятие «теплород», а используется понятие «внутренняя энергия».

                  Локально плоская земля — сегодня допускается лишь в качестве приближения в тех случаях, когда погрешностью можно пренебречь. Но никто не исходит из того, что земля плоская. Вы чувствуете разницу между приближением при расчетах и объяснением явлений?
              +3
              Глупости пишете. Никто не отказывался от принципа относительности Галилея, просто он стал частным случаем принципа Эйнштейна. А в большинстве прикладных областей знаний как пользовались галилеевским принципом, так продолжают.
                +3
                +1. Именно этого не понимают борцы с СТО и ОТО. Новая теория как правило почти полностью включает эффекты и формулы старой, но в граничных условиях работает по другому и там используются другие формулы. Мы не отказались от формул и законов механики ньютона просто потому, что изобрели СТО. Просто при расчетах близких к скорости света переходим на другие (еще более сложные) формулы.
                  +5
                  Почему-то в головах людей очень прочно сидит миф о том, что ученые постоянно опровергают старые теории новыми. Самый распространённый аргумент — «землю раньше считали плоской, потом опровергли». А ведь на самом деле строители в своих расчетах как считали её плоской, так и продолжают считать. А реально — плоская земля — всего лишь частный случай шарообразной при достаточно большом радиусе, и нет здесь никакого опровержения старой теории, а есть её дополнение. Или ещё широко известный миф — «раньше думали что Солнце вращается вокруг Земли, а потом опровергли». На самом деле по принципу относительности мы можем выбирать любую удобную систему отсчета — хоть Землю в центр ставьте, хоть Солнце — любая будет верной. Просто в гелиоцентрической системе отсчета расчеты движения планет, комет, астероидов и т.п. намного проще чем в геоцентрической.
                  0
                  Глупости пишете.

                  Просто вы не разобрались. Многие люди с ходу вешают ярлык «глупости» на то, что им непонятно.
                  Никто не отказывался от принципа относительности Галилея, просто он стал частным случаем принципа Эйнштейна.

                  От принципа относительности Галилея, безусловно, не отказались при практических расчетах. И при теоретических тоже — там, где погрешностями можно пренебречь. Но от него отказались как от универсального закона природы, распространяющегося на все явления. Ему были поставлены рамки применимости, за пределами которых был найден более точный закон.

                  Именно этот «абсолютный» статус сегодня имеет принцип относительности Эйнштейна. Насколько мне известно, он не имеет исключений и распространяется на все явления. И вот этот статус он может когда-нибудь утратить в пользу чего-то более нового и сложного. А при практических расчетах, конечно, все останется как и было, кроме экзотических случаев, где необходимо будет применять новый закон.
                    0
                    Всё-таки принцип относительности Галилея — это часть принципа относительности Эйнштейна. Не предельный частный случай, а именно часть. Так что его область применимости как минимум такая же.
                      0
                      Можете пояснить, каким именно образом принцип относительности Галилея входит в принцип относительности Эйнштейна, если он, как вы говорите, является его частью?

                      Далее, если область применимости этого принципа такая же, как у СТО — то почему этот принцип нарушается на скоростях, близких к скорости света?
                        0
                        Принцип относительности Галилея — все законы механики действуют одинаково во всех инерциальных с. о. Принцип относительности Эйнштейна — все законы физики действуют одинаково во всех инерциальных с. о.
                          0
                          Хм… Вы правы. Признаю свою позорную ошибку.
                0
                >>Малцадена
                Малдасена же, вот беднягу обозвали :)

                К слову, порекомендуйте что-нибудь популярное почитать по ПКГ. По струнам научпоп литературы полно, взять хоть ту же «Элегантную Вселенную» Грина, а вот по ПКГ найти что-то такое у меня никак не получается.
                  0
                  http://www.rodon.org/sl/nsfvtsunichzes/
                  Часть III. За пределами теории струн
                  +5
                  Шелдон и Уинкли наконец-то помирятся
                    0
                    Вроде как речь шла о невозможности завести ребенка с таким мирровозрением.
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      0
                      С этого момента поподробнее, пожалуйста!
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      0
                      Очень напоминает соперничество в области теоретической физики в середине 19-го века. Когда исследователи света спорили, является ли свет частицей или волной. И там и там были убедительные доказательства.
                        +2
                        Я, если честно, до сих пор не до конца понимаю механизм квантования электромагнитных волн.
                          0
                          Полагаю, что такое впечатление только у непосвящённого наблюдателя может сложиться. Современные учёные не спорят о природе гравитации. Учёные лишь исследуют, какая из моделей гравитации в каких случаях работает лучше. Современная наука вообще не оперирует понятием «природа явления» в бытовом понимании. Хокинг эту тему поясняет в научно-популярной книге «The Grand Design».

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                        Самое читаемое