Teoretický fyzik Joseph Polchinsky z University of California v Santa Barbara předpověděl rok dokončení tvorby kvantové teorie gravitace. Podle vědce se tak stane v roce 2131 a bude to založeno na strunové teorii, kterou drtivá většina moderních fyziků a matematiků uznává jako jediný kandidát na roli „teorie všeho“. Polchinsky, laureát ceny za základní fyziku, kterou zřídil ruský podnikatel Jurij Milner, nastínil své úvahy v předtisku na webových stránkách arXiv.org.
V procesu vývoje fyzika zkoumala stále menší měřítka vzdáleností a stále větší měřítka energií. Na začátku 20. století vědci dostali své první představy o jevech vyskytujících se v atomovém měřítku. Fyzici nyní mají přístup k měřítkům deseti až mínus sedmnáctá síla centimetrů, což odpovídá experimentům na velkém hadronovém srážce, který umožnil objevit Higgsův boson. Porovnáním stupňů a rychlostí vývoje fyziky v XX a na počátku XXI století, Polchinsky předpověděl, že do roku 2131 bude konečná formulace kvantové gravitace konečně formulována. Za tímto účelem vědec zkoumal vývoj fyziky za posledních sto lichých let a porovnával úspěchy lidstva určitých energetických stupnic s časem této události.
V roce 1899 představil německý fyzik Max Planck v úvahu délku pojmenovanou po něm, složenou ze základních konstant (Planckova konstanta, gravitační konstanta a rychlost světla ve vakuu) a rovnou desítce až mínus třicetin třetí síly centimetrů. V současné době je tato hodnota považována za nedosažitelnou stupnici pro moderní experimenty, na nichž funguje teorie strun. Měřítko deseti centimetrů až mínus sedmnáctá síla centimetrů na logaritmické stupnici odpovídá středu vzdálenosti. Stejně tak zůstává před vytvořením „teorie všeho“stejné množství času, jaké uplynulo 116 let od zavedení Planckovy délky do vědy.
Měřítko délky.
Drobnost Planckovy délky umožňuje podle Polchinského poskytnout nezbytné „rozmazání“interakcí, což vysvětluje nerevormalizovatelnost (nemožnost eliminace divergencí) teorie gravitace. SM a tři základní interakce, které popisuje (elektromagnetická, slabá a silná), jsou tedy renormalizovatelné, zatímco verze kvantové gravitace získaná naivní kvantizací (tj. Podle stejného receptu jako klasická teorie pole) se ukáže být již ve druhém pořadí teorie poruch divergentní.
Podle Polchinského se na Planckově stupnici mění časoprostorové výkyvy. Tvoří takzvanou časoprostorovou pěnu a poskytují pozorovanou odchylku naivní verze kvantové gravitace. Jako historický příklad vědec cituje teorii Enrica Fermiho, která kvalitativně dobře popsala slabou interakci, ale nebyla znovu normalizovatelná.
Teprve poté, co Steven Weinberg, Sheldon Glashow a Abdus Salam vytvořili renormalizovatelnou elektroslabou teorii, která kombinuje elektromagnetické a slabé interakce a zavádí přechodné elektroslabé bosony, bylo jasné, že Fermiho teorie je nízkoenergetická aproximace jiného obecnějšího modelu (v tomto případě electroweak). … Polchinsky věří, že totéž se stane s kvantovou gravitací.
Joseph Polchinsky.
Propagační video:
Polchinsky spojuje jedinečnost dynamiky teorie strun s přítomností pouze jednoho parametru nezbytného k popisu přírody - tzv. Strunové konstanty. Mezitím, podle vědce, v současné době „teorie všeho“nemá žádný jednotný princip (první princip), který by umožňoval jej deduktivně odvodit. Pro obecnou relativitu existuje takový prvek: princip lokální ekvivalence mezi gravitačním polem a pohybem s akcelerací. Klasický příklad tohoto začátku je ve výtahu. Díky rovnoměrně zrychlenému pohybu vzhůru vůči Zemi není pozorovatel schopen určit, zda je v silnějším gravitačním poli nebo se pohybuje v člověkem vytvořeném objektu.
Polchinsky ve svém článku zmiňuje význam kvantových fluktuací pro řešení rovnic teorie strun. Navzdory skutečnosti, že moderní rovnice teorie kvantového pole a obecné relativity dobře popisují pozorovaný svět na dostupných experimentálních stupnicích, lze je modifikovat, což neodporuje prvním principům těchto teorií. Mezitím to vede k dosud nepozorovaným účinkům, které jsou významné pro Planckovu stupnici.
Polchinsky odkazuje na takové modifikace, jako je zavedení výrazů s vyššími deriváty do rovnic teorie kvantového pole (v současnosti existují pouze kvadratické termíny s prvními deriváty polí) a přidání termínů kvadratických v zakřivení časoprostoru do Einsteinových rovnic v GR. Tato doplnění vedou k potřebě vzít v úvahu výkyvy časoprostorové pěny, která existuje, podle předpovědí teorie strun, na Planckově stupnici.
Kvantová pěna.
Polchinsky vysvětluje roli prostoru pro teorii strun pomocí příkladu zrcadlové symetrie, která umožňuje existenci různých rozdělovačů Eugenio Calabi a Shintana Yau, které mohou být zhuštěny (složeny do extrémně malých dodatečných prostorových rozměrů) z různých prostorů, což může vést ke stejným vlastnostem elementárních částic … To (spolu s potenciálem existence dalších prostorových dimenzí) naznačuje, že pozorovaná fyzika je projevem vícerozměrné geometrie časoprostoru a jeho struktury na Planckově stupnici.
Dualita měrných teorií a kvantové gravitace, chápaná jako holografie, umožní podle Polchinského popsat fyziku částic a gravitaci jednotným způsobem. Holografický princip navržený v roce 1993 nizozemským fyzikem Gerardem t'Hooftem tvrdí, že informace obsažené na jeho vnější hranici (paprsku) jsou dostačující pro matematický popis světa: v tomto případě lze z hologramů získat myšlenku na objekt vyšší dimenze, mající menší rozměr.
V případě teorie strun byl princip ztělesněn v myšlence korespondence AdS / CFT, na kterou v roce 1998 poukázal americký teoretický fyzik argentinského původu Juan Maldacena. V této hypotéze vede ekvivalence popisu fyziky ve zvláštních prostorech k jedinečnému spojení jejich parametrů - dualit. Matematicky se to projevuje v přítomnosti vztahu, který umožňuje vypočítat parametry interakce částic (nebo řetězců) jedné z teorií, pokud jsou takové známy pro druhou.
Holografický vesmír.
Polchinsky spojuje pokrok v porozumění fyziky černých děr se skutečností, že v roce 1996 Andrew Strominger a Kumrun Wafa v rámci teorie strun prokázali odvození výrazu pro entropii černých děr, který byl termodynamicky poprvé získán izraelským fyzikem Jacobem Bekensteinem v roce 1973. Jejich závěr naznačuje, že odpařování černých děr zachovává jednotnost kvantové mechaniky (spojená s důslednou interpretací pravděpodobnosti), kterou dříve zpochybňoval britský vědec Stephen Hawking.
Arbitrarství v hodnotách pozorovaných základních konstant, podle Polchinsky, ačkoli to je vážná obtíž v “teorii všeho”, přesto může objasnit některé univerzální rysy přírody (zvláště, existence Multiverse). Vědec označil nenulovou hodnotu kosmologické konstanty (lambda termín v Einsteinových rovnicích) za hlavní rys, který teoreticky naznačuje existenci paralelních světů. Podle vědce zahrnuje drtivou většinu strunových teorií multiverse. Tyto modely také obsahují nenulovou kosmologickou konstantu. To znamená, že podle Polchinského nelze existovat bez druhého. Navíc při použití Bayesovské inference odhadl fyzik pravděpodobnost existence Multiverse na 94 procent (což odpovídá statistické významnosti dvou směrodatných odchylek).
"Možná nesouhlasíte s mým odhadem 94 procent, ale neexistuje žádný racionální argument, že multiverse neexistuje, nebo že je nepravděpodobné," píše Polchinsky. Vědec je optimistický ohledně vyhlídek na formulaci kvantové gravitace (v rámci teorie strun), dále pracuje tímto směrem a nevylučuje, že výstavba „teorie všeho“bude dokončena v předstihu - dříve než rok 2131, který předpověděl.
Andrey Borisov