Den teoretiska fysikern Joseph Polchinsky från University of California i Santa Barbara förutspådde året för skapandet av kvanteteorin om tyngdkraft. Enligt forskaren kommer detta att hända 2131, och det kommer att baseras på strängteori, som den överväldigande majoriteten av moderna fysiker och matematiker erkänner som den enda kandidaten för rollen som "teorin om allt." Polchinsky, pristagare av det grundläggande fysikpriset som inrättades av den ryska entreprenören Yuri Milner, beskrev sina överväganden i en förtryck på webbplatsen arXiv.org.
I utvecklingsprocessen undersökte fysiken allt mindre skalor av avstånd och allt större skalor av energier. I början av 1900-talet fick forskarna sina första idéer om fenomen som inträffade i en atomskala. Nu har fysiker tillgång till skalor på tio till minus sjuttonde kraften av centimeter, motsvarande experiment på Large Hadron Collider, som gjorde det möjligt att upptäcka Higgs boson. Jämfört stadierna och hastigheterna för fysikens utveckling under XX- och början av XXI-århundradena förutspådde Polchinsky att år 2131 skulle kvantteorinens gravitet äntligen formuleras. För detta undersökte forskaren utvecklingen av fysik under de senaste hundra udda åren och jämförde mänsklighetens resultat av vissa energikällor med tiden för denna händelse.
År 1899 införde den tyska fysikern Max Planck den längd som uppkallats efter honom, sammansatt av grundläggande konstanter (Plancks konstant, gravitationskonstant och ljusets hastighet i ett vakuum) och lika med tio till minus trettiotre makter av centimeter. För närvarande anses detta värde vara en ouppnåbar skala för moderna experiment som strängteori fungerar på. Skalan på tio centimeter till minus sjuttonde kraften av centimeter på en logaritmisk skala motsvarar mitten av avståndet. Följaktligen återstår samma tid innan skapandet av "teorin om allt" som 116 år har gått sedan plancks längd infördes i vetenskapen.
Längd skala.
Planck-längdens småhet tillåter, enligt Polchinsky, att tillhandahålla den nödvändiga "smetningen" av interaktioner, vilket förklarar den icke-renormaliserbarheten (omöjligt att eliminera avvikelser) av tyngdteorin. Således är SM och de tre grundläggande interaktioner som beskrivs av den (elektromagnetisk, svag och stark) renormaliserbara, medan den version av kvanttyngd som erhålls genom naiv kvantisering (det vill säga enligt samma recept som klassisk fältteori), redan i den andra ordningen av störningsteori visar sig vara avvikande.
Enligt Polchinsky, på Planck-skalan blir fluktuationerna i rymden betydande. De bildar det så kallade rymdtidskummet och ger den observerade divergensen hos den naiva versionen av kvanttyngd. Som ett historiskt exempel citerar forskaren teorin om Enrico Fermi, som kvalitativt väl beskrev den svaga interaktionen, men inte kunde renormaliseras.
Det var först efter att Steven Weinberg, Sheldon Glashow och Abdus Salam skapade en renormaliserbar elektrockteori som kombinerar elektromagnetiska och svaga interaktioner och introducerar mellanliggande electroweak-bosoner att det blev tydligt att Fermis teori är en lågenergi-tillnärmning av en annan, mer allmän modell (i det här fallet electroweak) … Polchinsky tror att samma sak kommer att hända med kvanttyngd.
Joseph Polchinsky.
Kampanjvideo:
Polchinsky kopplar unikheten i strängteoriens dynamik med närvaron av endast en parameter som är nödvändig för att beskriva naturen - den så kallade strängkonstanten. Under tiden, enligt forskaren, har för närvarande inte "teorin om allt" någon enhetlig princip (första principen) som gör att det kan dras på ett deduktivt sätt. För allmän relativitet finns det ett sådant element: principen om lokal ekvivalens mellan gravitationsfältet och rörelse med acceleration. Det klassiska exemplet på denna början är i hissen. Med sin jämnt accelererade uppåtgående rörelse i förhållande till jorden, kan observatören i den inte fastställa om den befinner sig i ett starkare gravitationsfält eller rör sig i ett konstgjort objekt.
I sin artikel nämner Polchinsky vikten av kvantfluktuationer för att lösa strängteoriekvationer. Trots att de moderna ekvationerna av kvantfältteori och allmän relativitet beskriver den observerade världen väl på de tillgängliga experimentella skalorna, kan de modifieras som inte strider mot de första principerna i dessa teorier. Samtidigt leder detta till effekter som inte observerats hittills, vilket är betydande på Planck-skalan.
Polchinsky hänvisar till sådana modifikationer som introduktion av termer med högre derivat i ekvationerna i kvantfältteorin (för närvarande finns det bara kvadratiska termer med de första derivat av fälten) och tillägg av termer kvadratiska i krumning av rymdtid till Einstein-ekvationerna i GR. Dessa tillägg leder till behovet av att ta hänsyn till fluktuationerna i rymdtidskummet som finns, enligt strängteoriens förutsägelser, på Planck-skalan.
Kvantskum.
Polchinsky förklarar utrymmet för strängteori med exemplet spegelsymmetri, som möjliggör förekomsten av olika grenrör av Eugenio Calabi och Shintana Yau, som, genom att komprimeras (vikas in i extremt små ytterligare rumsliga dimensioner) från olika utrymmen, kan leda till samma egenskaper hos elementära partiklar … Detta (tillsammans med potentialen för att det finns ytterligare rumsliga dimensioner) antyder att den observerade fysiken är en manifestation av den flerdimensionella geometri för rymdtid och dess struktur i Planck-skalan.
Dualiteten av mätteorier och kvanttyngd, förstått som holografi, kommer enligt Polchinsky att göra det möjligt att beskriva partikelfysik och tyngdkraft på ett enhetligt sätt. Den holografiska principen, som föreslogs 1993 av den nederländska fysikern Gerard t'Hooft, hävdar att informationen på dess yttre gräns (stråle) är tillräcklig för en matematisk beskrivning av en värld: en idé om ett objekt med högre dimension i detta fall kan erhållas från hologram, med en lägre dimension.
Såsom den tillämpades på strängteori, förkroppsligades principen i idén om AdS / CFT-korrespondensen, som påpekades 1998 av den amerikanska teoretiska fysikern av argentinskt ursprung Juan Maldacena. I denna hypotes leder ekvivalensen till fysikbeskrivningen i speciella utrymmen till att det finns unika kopplingar mellan deras parametrar - dualiteter. Matematiskt manifesterar sig detta i närvaro av en relation som gör att man kan beräkna parametrarna för interaktioner mellan partiklar (eller strängar) i en av teorierna, om sådana är kända för den andra.
Det holografiska universum.
Polchinsky kopplar framsteg när det gäller att förstå svarta hålens fysik med det faktum att 1996, inom ramen för strängteorin, demonstrerade Andrew Strominger och Kumrun Wafa härledningen av uttrycket för entropin av svarta hål, som först erhölls termodynamiskt av den israeliska fysikern Jacob Bekenstein 1973. Deras slutsats indikerar att förångningen av svarta hål bevarar kvantmekanikens unitaritet (förknippad med en konsekvent tolkning av sannolikheten), som tidigare ifrågasattes av den brittiska forskaren Stephen Hawking.
Arbitraritet i värderingarna av de observerade grundläggande konstanterna, enligt Polchinsky, även om det är en allvarlig svårighet i "teorin om allt", kan ändå klargöra vissa universella särdrag i naturen (i synnerhet multiversens existens). Forskaren utsåg det icke-negativa värdet för den kosmologiska konstanten (lambda-termen i Einsteins ekvationer) som det viktigaste inslaget som teoretiskt indikerar att det finns parallella världar. Enligt forskaren involverar den stora majoriteten av strängteorier multiversen. Dessa modeller innehåller också en icke-noll kosmologisk konstant. Det vill säga, enligt Polchinsky kan man inte existera utan den andra. Vidare, med tillämpning av Bayesian-inferens, uppskattade fysikern sannolikheten för förekomsten av Multiverse till 94 procent (detta motsvarar en statistisk betydelse av två standardavvikelser).
"Du kanske inte håller med min uppskattning på 94 procent, men det finns inget rationellt argument för att multiversen inte finns, eller att det är osannolikt," skriver Polchinsky. Forskaren är optimistisk när det gäller utsikterna för formulering av kvanttyngd (inom ramen för strängteorin), fortsätter att arbeta i denna riktning och utesluter inte att konstruktionen av en "teori om allt" kommer att slutföras före schemat - tidigare än år 2131 som förutses av honom.
Andrey Borisov