Ang kontemporaryong pisika ay nagsusumikap sa loob ng mga dekada ng isang layunin na kasing ambisyoso dahil ito ay mahalaga: para magbigay ng quantum description ng gravityIto ay hindi isang intelektwal na kapritso, ngunit isang kahilingan para sa pagkakaugnay-ugnay mula sa kalikasan: kung ang iba pang mga pangunahing pakikipag-ugnayan ay may solidong quantum formalism, makatwiran na ang gravity, ang ikaapat na pinagtatalunan, ay maaari ding tratuhin ng mga patakaran ng quantum mechanics.
Ang General Relativity ay naging lubhang matagumpay sa pagpapaliwanag kung paano mga kurba ng spacetime Sa pagkakaroon ng masa at enerhiya, bakit ang liwanag ay pinalihis ng matinding gravitational field, kung paano nag-evolve ang mga galaxy sa malaking sukat, o kung ano ang nangyayari sa paligid ng isang black hole. Gayunpaman, may mga hangganang kababalaghan—ang pinakamatindi at mikroskopiko—kung saan ang kanilang mga equation ay nagiging hindi sapat at pagiging tugma sa quantum mechanics Natutunaw ito na parang sugar cube.
Ano ang naiintindihan natin sa quantum gravity?
Sa ilalim ng payong ng tinatawag na quantum gravity ay pinagsama-sama ang mga pagtatangka na magkasundo, sa loob ng parehong balangkas, quantum field theory at relativity ni EinsteinSa ngayon, walang na-verify at tinatanggap na teorya ng komunidad na nakakamit nito, ngunit mayroon kaming malalakas na kandidato at malawak na hanay ng mga pantulong na panukala.
Dalawang pangunahing diskarte ang nangunguna sa karera: ang teorya ng string at loop quantum gravity (o mga loop). Sa tabi ng mga alternatibong orbit na ito na may iba't ibang lasa, gaya ng Twistor Theory, Noncommutative Geometry, Simplicial Quantum Gravity, Euclidean Quantum Gravity, o mga formulation batay sa null surfaces sa relativityAng pagkakaiba-iba nito ay naglalarawan, tiyak, ang pagiging kumplikado ng hamon.
Ang pagganyak ay malinaw: ang mikroskopiko na mundo ay pinamamahalaan ng mga tuntunin ng dami, probabilistic at discreteHabang ang gravity ay patuloy na kumukurba sa canvas ng spacetime. Kapag sinubukan naming pagsamahin ang mga ito nang walang karagdagang pagsasaalang-alang, lilitaw ang mga infinity, inconsistencies, at equation na hindi magkasya.
Dalawang magkasalungat na pananaw: mataas na enerhiya laban sa mga relativist
Para sa marami sa mga nagtatrabaho sa particle at high-energy physics, ang gravity ay ang mahinang pakikipag-ugnayanIto ay isa pang kababalaghan na dapat na mailarawan ng isang karaniwang teorya ng larangan ng quantum. Mula sa pananaw na ito, ang paghahanap para sa isang "graviton" o isang paggulo ng gravitational field na umaangkop sa loob ng parehong balangkas tulad ng electromagnetism, ang mahina at malakas na pakikipag-ugnayan, gaya ng nakamit sa Standard Model.
Kasunod ng linya ng pag-iisip na iyon, ang teorya ng string ay nagmumungkahi na ang mga particle ay hindi mga punto, ngunit isang-dimensional na mga filament na ang mga mode ng vibration ay nagbibigay ng lahat ng mga particle at pwersa. Sa imbentaryo na iyon, lumilitaw ang gravity bilang isang partikular na paggulo ng string, at nababawasan ang problema—para maikli ito—upang maunawaan kung paano nagagawa ng excitation na iyon ang mga kilalang gravitational phenomena.
Ang mga relativist, sa kabilang banda, ay nagbabala na ang diskarte na ito ay maaaring pisikal na hindi sapatItinuro sa atin ng General Relativity na walang nakapirming "yugto" kung saan nagbubukas ang pisika: ang spacetime ay dynamic at nakikilahok sa aksyon. Samakatuwid, hindi angkop ang pagtrato sa gravity bilang isang quantum field laban sa isang matibay na background. ipinagkanulo ang aral ni Einstein at nangangailangan ito ng muling pag-iisip ng mga konsepto tulad ng espasyo at oras mula sa simula.
Makikita sa liwanag na ito, ang hamon ng quantum gravity ay nakasalalay sa pagsusulong ng konseptwal na rebolusyon na pinasimulan ng relativity, habang pinagsasama rin ang ang mga patakaran ng quantum mechanics, tungo sa isang synthesis na nagre-reformulate sa pinakapangunahing mga ideya ng realidad.
Loop quantum gravity: mula sa continuum hanggang discrete fabric
Ang isang napaka-visual na paraan upang makakuha ng ideya ay ang isipin ang uniberso bilang isang malaking tapiserya: sa isang malaking sukat Parang tuloy-tuloy at makinisNgunit kung pagmamasdan natin ito gamit ang isang mas malakas na "mikroskopyo," makikita natin ang magkakaugnay na mga hibla, na para bang ang espasyo ay "nagpixel" at humihinto na maging walang katapusan na mahahati. Iyon ang intuwisyon sa likod ng Loop Quantum Gravity (LQG).
Hindi ipinapalagay ng LQG ang isang nakapirming background. Kailangan ng General Relativity at pinipilit itong magsalita ng quantum language. Sa prosesong iyon, ang mga natural na variable ay hindi na maging tuluy-tuloy na sukatan at nagiging mga obserbasyon na nauugnay sa mga ugnayan (loops) —technically, Wilson loops—na kumukuha ng impormasyon mula sa field. Ang diskarte na ito ay nagmumungkahi ng isang epektibong discretization ng space-time: hindi na makatuwirang suriin "sa anumang punto", ngunit sa halip sa pamamagitan ng mga closed loop na ito.
Mahalaga ang pagbabago sa konsepto: ang mga loop ay hindi "nabubuhay" sa isang nakaraang espasyo, tukuyin ang espasyo mismoSamakatuwid, ang isang geometric na estado ng quantum ay isang pagsasaayos ng mga loop. Ang anumang bagay sa labas ng mga ito ay walang pisikal na kahulugan sa antas na ito ng paglalarawan.
Sa pagpapatakbo, ang pagtatrabaho sa mga purong loop ay nagpapalubha sa mga kalkulasyon. Ang pangunahing pagpapasimple ay kasama ng iikot na mga networkAng ideyang ito, na orihinal na ipinakilala ni Roger Penrose at muling binuhay ng LQG mula sa mga unang prinsipyo, ay nagsasangkot ng mga graph: mga linya (mga gilid) na konektado sa mga node at puno ng mga spin label na j = 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,…, na may oryentasyon (papasok o papalabas) at may mga mathematical na bagay sa mga node na magkakaugnay (recoming at the node). mga gilid.
Gamit ang mga sangkap na ito, nagbibigay ang LQG mga geometric na operator —haba, lugar, volume— na ang spectra ay discrete. Halimbawa, ang lugar ng isang ibabaw ay nakuha sa pamamagitan ng pagbibilang kung gaano karaming mga gilid ng spin network ang dumaan dito at pagsasama-sama ng kanilang mga label gamit ang isang partikular na function. Ito ay nagpapahiwatig na mayroong isang minimum na lugar na nauugnay sa kaso j = 1/2 at na, sa pamamagitan ng pagtatayo, Hindi lahat ng lugar ay posible.ngunit quantized halaga. May katulad na nangyayari sa mga volume at anggulo.
Sa teorya, lumilitaw ang isang tunay na parameter, iyon ng Barbero-Immirzina ang tungkulin ay hindi pa ganap na naaayos. Walang teoretikal na paghihigpit na nag-aayos ng halaga nito (higit pa sa hindi ito zero), at sinusubukan ng iba't ibang argumento na tukuyin ito batay sa mga pisikal na pagsasaalang-alang.
Pag-unlad, mga nagawa at mga hadlang ng LQG
Isa sa mga pinakatanyag na tagumpay ng LQG ay ang hinango ng entropy ng black holepagkuha ng proporsyonalidad sa horizon area tulad ng sa Bekenstein-Hawking law (S ∝ A). Ang mga naunang pag-unlad ay nangangailangan ng pagsasaayos ng parameter ng Barbero-Immirzi upang makamit ang 1/4 na koepisyent, na tila isang "panlilinlang." Gayunpaman, ang trabaho sa ibang pagkakataon ay nagmumungkahi ng mga paraan upang mabawi ang tamang proporsyonalidad nang walang ad hoc na pagsasaayos na ito, at gayundin sa mga senaryo ng astrophysically plausible black hole.
Sa kosmolohiya, kapag ang pamamaraan ay inilapat sa unang bahagi ng uniberso (LQC, Loop Quantum Cosmology), ang Big Bang singularity ay tumigil na maging isang hindi madaanan na hangganan: ang sistema ay maayos na dumadaan sa isang estado ng matinding densidad, na kilala bilang malaking rebound (Malaking Bounce). Kung gayon, ang ating uniberso ay maaaring lumitaw mula sa isang nakaraang yugto ng pagbagsak. Ang ideyang ito ay nagtutulak sa paghahanap ng mga bakas ng pagmamasid sa cosmic microwave radiation na nagpapahintulot sa modelo na masuri.
Ang pinakamadalas na binanggit na kahinaan ng LQG ay ang pagpapakita, nang walang kalabuan, na ang klasikal na limitasyon nito ay nagpaparami ng Pangkalahatang Relativity na may maliliit na quantum correction, tulad ng quantum electrodynamics na bumalik sa mga equation ni Maxwell sa naaangkop na limitasyon. Ang hakbang na iyon—ang malinis na pagbawi ng Einstein—ay isang pare-parehong pamantayan na hindi pa natutugunan ng ninanais na katatagan.
Pagkakaisa? Sa mahigpit na pagsasalita, ang LQG ay hindi isang pinag-isang teorya: maaari tumanggap ng mga larangan ng bagay naninirahan sa mga spin network nang hindi pinipilit ang mga relasyon sa pagitan nila. Gayunpaman, inilalagay nito ang gravity sa parehong wika ng gauge tulad ng iba pang mga pakikipag-ugnayan, na bumubuo ng isang banayad na anyo ng pormal na pagkakahanay. Sa katunayan, pinalawak ng mga kamakailang pag-unlad ang mga pamamaraan nito sa higit pang mga sukat at supersymmetrypagbubukas ng pinto sa hinaharap na mga koneksyon sa iba pang mga frameworks.
Teorya ng string at iba pang nakikipagkumpitensyang landas
Ang teorya ng string ay nagniningning sa kanyang ambisyon: ito ay nagpapakita ng isang mathematical framework kung saan ang lahat ng mga particle at pwersa, kabilang ang gravity, ay lumalabas bilang vibrational mode ng isang-dimensional na mga string. Upang maging pare-pareho, nangangailangan ito ng supersymmetry at mga dagdag na dimensyon (10 o 11 depende sa bersyon), mga sangkap na, sa sandaling ito, ay walang malinaw na pang-eksperimentong ebidensya: ni supermates ng mga kilalang particle, o mga palatandaan ng mga nakatagong sukat.
Sa kabila ng mga problema nito, nagawa ng string theory na pag-isahin ang maraming magkakaibang phenomena sa isang eleganteng pormalismo at nagsisilbing laboratoryo para sa makapangyarihang mga diskarte. LQG at string theory ay hindi kinakailangang maging kapwa ibubukod ang isa't isaSa katunayan, sila ay nagbabahagi ng pagkakaroon ng mga one-dimensional na pagganyak (mga string sa isang kaso at mga loop sa isa pa), at hindi makatwiran na mag-isip tungkol sa mga senaryo ng hinaharap na complementarity.
Higit pa sa dalawang ito, may mga linya ng pananaliksik na may mga pangalan na kasing pahiwatig Mga twisterSimplicial Quantum Gravity, Noncommutative Geometry, Euclidean Quantum Gravity, o mga formulation batay sa mga null surface. Ang bawat isa ay nag-aambag ng mga partikular na insight at tool, at sama-sama nilang pinapakain ang ecosystem ng mga ideya na maaaring, balang araw, maging kristal sa tamang teorya.
Mga pang-eksperimentong pahiwatig: mula sa malalim na espasyo hanggang sa laboratoryo
Ang pangunahing pagpuna sa anumang teorya ng quantum gravity ay ang eksperimental na distansya nito: ang pinakamalinaw na epekto ay nakatago sa napakaliit na sukat. ipinagbabawal sa ating teknolohiyaGayunpaman, may mga mapanlikhang paraan upang maghanap ng mga hindi direktang palatandaan o magtakda ng mga hangganan.
Ang isang kapansin-pansing halimbawa ay mula sa Integral mission ng ESA, isang gamma-ray telescope na may kakayahang sukatin ang polarization. Ang ilang mga hypotheses ng space granularity sa mga maliliit na kaliskis ay hinuhulaan na ang pagpapalaganap ng gamma photon ay sumasailalim sa isang bahagyang umaasa sa enerhiya na "twist," na binabago ang pinagsama-samang polariseysyon sa malalayong distansya.
Sinuri ng pangkat ni Philippe Laurent (CEA Saclay) ang data mula sa isa sa pinakamatinding pagsabog ng gamma-ray na naitala kailanman, ang GRB 041219A (Disyembre 19, 2004), at hindi nakita ang mga pagkakaiba sa polariseysyon sa pagitan ng mataas at mababang enerhiya na mga photon sa loob ng mga limitasyon ng instrumental. Gamit ang instrumento ng IBIS, at isang resolusyon na humigit-kumulang 10,000 beses na mas mahusay kaysa sa mga nauna nito, nagawa nilang isalin ang kawalan ng signal sa mga hard limit: kung may granularity, ang katangiang sukat nito ay dapat na mas maliit sa 10-35 m, itinutulak ang taas patungo sa paligid ng 10-48 m o mas kaunti pa.
Isa pang Integral na pagsubok, sa pagkakataong ito kasama ang Crab Nebula (2006) pinatibay ang konklusyon, kahit na may mas kaunting saklaw, dahil ang pinagmulan ay mas malapit at ang pinagsama-samang mga epekto ay magiging maliit. Kung sama-sama, iminumungkahi ng mga resultang ito na itapon ang ilang partikular na bersyon ng mga string o LQG na hinuhulaan ang mas madaling ma-access na mga pag-ikot ng polarization, at pumipilit sa amin na pinuhin o abandunahin ang mga hypotheses.
Sa laboratoryo, isang kamakailang milestone ang nakamit ng isang koponan mula sa University of Southampton (UK) na pinamumunuan ni Tim M. Fuchs: nagawa nilang sukatin ang gravitational interaction sa mikroskopikong sukat na may panlamig na sensitivity. Ang kanyang ideya: upang i-levitate ang isang bagay na 0,43 milligrams gamit ang superconducting magnets sa mga temperaturang malapit sa absolute zero at pagkatapos ay makita ang mga puwersa na kasing liit ng 30 attonewtons (isang attonewton ay isang trilyon ng isang newton).
Ang teknolohikal na gawa ay maliwanag, ngunit ang mahalaga ay ito metrological na kapasidad Pinalalapit tayo nito sa posibilidad na maobserbahan ang unang pahiwatig ng quantum effect ng gravity sa mas magaan na sistema. Ang plano ay ulitin ang eksperimento sa mas maliliit na masa hanggang sa makarating tayo sa quantum realm, isang mahalagang hakbang kung gusto nating gawing realidad ang mga haka-haka. matibay na ebidensya.
Lumilitaw din ang mga hindi kinaugalian na pamamaraan, tulad ng panukala ng a post-quantum classical gravity (na nauugnay sa Oppenheim), na nagmumungkahi ng pagbabago sa teorya ng quantum upang gawin itong tugma sa pangkalahatang relativity nang hindi sinusukat ang gravity. Ito ay isang unorthodox na diskarte, ngunit pinasisigla nito ang talakayan tungkol sa kung ano talaga ang kailangang baguhin para magkasya ang lahat.
Samantala, ang mga mananaliksik mula sa Unibersidad ng Aalto Nagpakita sina Mikko Partanen at Jukka Tulkki ng bagong formulation ng gravity bilang gauge theory, na may mga symmetries na kahalintulad ng sa Standard Model. Ang susi ay upang ilarawan ang mga pakikipag-ugnayan sa pamamagitan ng isang gauge field—tulad ng electromagnetic field—at magkasya ang gravity sa molde na iyon gamit ang isang katugmang simetrya kasama ang iba pang pwersa. Isinasaalang-alang ng kanilang trabaho, na inilathala sa Reports on Progress in Physics, ang renormalization upang mapaamo ang mga infinity: ipinakita nila na ito ay gumagana nang hindi bababa sa unang pagkakasunud-sunod at hinahangad na ipakita ito sa lahat ng mga order. Kung magtagumpay sila, magbubukas sila ng landas patungo sa a renormalizable quantum field theory ng grabidad.
Bagama't ang mga pagsulong na ito ay hindi pa naisasalin sa mga agarang aplikasyon, nararapat na alalahanin na ang mga pang-araw-araw na teknolohiya—tulad ng GPS sa iyong mobile- gumagana ang mga ito salamat sa relativity. Ang isang mas mahusay na pag-unawa sa gravity, kung ito ay nakabalot sa isang operational quantum formalism, ay maaaring magpalabas ng mga praktikal na sorpresa na hindi natin pinaghihinalaan ngayon.
State of the art: mga katiyakan, pagdududa at posibleng mga convergence
Sa kasalukuyan, ang dalawang pangunahing kandidato—ang mga lubid at LQG—ay nakikipagkumpitensya upang ipaliwanag ang katotohanan, ngunit maaari rin nilang pandagdag sa mga tiyak na aspeto. Posible na ang parehong mga diskarte ay maaaring patunayan na hindi kumpleto (o hindi tama) at ang solusyon ay nasa isang synthesis na nagmamana ng pinakamahusay sa bawat isa. Ano ang tiyak na ang landas ay nangangailangan ng empirical na ebidensya: mga limitasyon mula sa high-energy astrophysics, extreme metrology sa laboratoryo, at mga bakas ng kosmolohiya sa kalangitan.
Ang mga alternatibong panukala ay nagpapayaman sa tanawin at hinihikayat ang pagrepaso ng mga konsepto tulad ng pagpapatuloy ng space-time, ang papel ng geometric na background, o ang istraktura ng mga simetriko na namamahala sa kalikasan. Samantala, ang teoretikal na gawain ay dapat na patuloy na pinuhin ang mga infinity, linawin ang mga klasikal na limitasyon, at magmungkahi ng mga falsifiable observable.
Isang teknikal na pangkalahatang-ideya: mga field, potensyal, at mga koneksyon
Ang isang kapaki-pakinabang na pahiwatig sa kasaysayan ay ang paggunita sa papel ng sukatin ang mga potensyal at field lines (mga batas ni Faraday) sa mga non-gravitational interaction. Sa electromagnetism, parehong mahina at malakas, ang mga potensyal at sukat ng symmetries ay ang natural na wika. Kapag ang gravity ay pinilit sa wikang iyon, ang mga istruktura tulad ng ugnayan ni Wilson na nag-encode ng holonomic na impormasyon ng field.
Mula sa pananaw ng LQG, kung ano ang maaaring tuluy-tuloy na sinusukat ay nauugnay sa mga loop na kilala na bilang mga quantum graph—ang mga spin network—kung saan ang mga gilid na label na j ay hindi arbitrary: ang mga ito ay nagpapakita ng mga representasyon ng pinagbabatayan na simetrya at kontrol, sa pamamagitan ng mga tumpak na panuntunan, gaano kalaki ang area o volume Ito ay itinalaga sa mga intersection na may mga ibabaw o rehiyon. Ang discrete na "granularity" na ito ay hindi isang ipinataw na mesh, ngunit isang resulta ng quantum structure ng geometry.
Ang katotohanan na ang mga node ay nagho-host ng mga interleaver (mga morphism na nagkokonekta sa panloob at panlabas na mga gilidIpinapakita nito na ang quantum geometry ay hindi lamang lokal sa mga gilid, ngunit ang pagkakapare-pareho sa mga punto ng intersection ay nagpapataw ng mga pandaigdigang relasyon. Nagbibigay ito ng mathematical framework kung saan susubukang buuin muli ang dynamics at, sana, ang klasikong hangganan tama
At ano ang tungkol sa papel ng mga obserbasyon sa kosmolohiya?
Kung discrete ang istraktura ng espasyo, maaaring lumitaw ang maliliit na lagda sa mga phenomena tulad ng pagpapalaganap ng gravitational alon o sa banayad na mga ugnayan ng background ng cosmic microwave. Sa ngayon, wawakasan pa ang bahay: ang mga limitasyon ay pare-pareho sa isang napakahusay na spacetime hanggang sa mga kaliskis na mas mababa sa 10-35 Nako, ayon sa data ng polarization ng gamma, tumutulak patungo sa 10-48 m. Ang anumang teorya na hinuhulaan ang mas malalaking epekto ay nasa mga lubid na.
Ang mga darating na taon ay maaaring magbigay ng mga bagong pahiwatig: mas sensitibong mga instrumento, mas malawak na mga katalogo ng GRB, lalong pinong mga pagsusuri sa polarisasyon, at mga eksperimento sa levitated dough na naglalapit sa quantum regime of gravity sa laboratory bench. Pinipilit ng bawat piraso ng data ang teorya na ayusin o itapon ang mga patay na dulo.
Mga sanggunian at inirerekomendang pagbabasa
Upang mas malalim, isang pagsusuri ng Carlo Robeli (1998) sa Living Reviews in Relativity on Loop Quantum Gravity (doi:10.12942/lrr-1998-1). Ang mga pangkalahatang-ideya ng kamakailang pananaliksik sa LQG at quantum cosmology ay kapaki-pakinabang din, pati na rin ang mga sikat na artikulo sa agham na nagpapaliit. bahagyang mga resulta at hamonTungkol sa mga limitasyon sa pagmamasid, detalyadong tinatalakay ng dokumentasyon ng ESA Integral mission ang mga pagsusuri sa polarization ng gamma (kabilang ang GRB 041219A at ang Crab Nebula). Sa pang-eksperimentong setting ng laboratoryo, inilalarawan ng preprint ng Fuchs team ang metrology sa attonewtons may levitated mass. At para sa gravitational gauge approach, ang gawain nina Partanen at Tulkki sa Reports on Progress in Physics ay isang magandang panimulang punto.
Pagkatapos ng paglalakbay na ito, malinaw na ang pagkakasundo sa pagitan ng quantum mechanics at gravity ay nananatiling bukas, na may mga string at ribbons bilang mga pangunahing simbolo, mga alternatibong panukala na nagpapalawak ng abot-tanaw, at data—mula sa kosmos hanggang sa cryogenics—na nililinaw na ang mga hypotheses; ang pinakahuling layunin ay tumuturo sa isang balangkas na gumagalang sa dynamics ng space-time, magkakasamang nabubuhay sa quantum theory at sa wakas ay pumasa sa pagsubok ng eksperimento.
