Teoretický fyzik Joseph Polchinsky z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare predpovedal rok dokončenia vytvorenia kvantovej teórie gravitácie. Podľa vedcov sa tak stane v roku 2131 a bude vychádzať z teórie strún, ktorú drvivá väčšina moderných fyzikov a matematikov uznáva ako jediný kandidát na úlohu „teórie všetkého“. Polchinsky, laureát Ceny základnej fyziky, ktorú založil ruský podnikateľ Jurij Milner, načrtol svoje úvahy v predtlači na webovej stránke arXiv.org.
V procese vývoja fyzika skúmala stále menšie škály vzdialeností a stále väčšie škály energií. Na začiatku 20. storočia dostali vedci svoje prvé predstavy o javoch vyskytujúcich sa v atómovej mierke. Fyzici teraz majú prístup k váham od desiatich do mínus sedemnástej sily centimetrov, čo zodpovedá experimentom na veľkom hadrónovom zrážači, ktorý umožnil objaviť Higgsov bozón. Pri porovnaní etáp a mier vývoja fyziky v XX a začiatkom XXI storočia, Polchinsky predpovedal, že do roku 2131 bude konečne formulovaná kvantová teória gravitácie. Vedec preto skúmal vývoj fyziky za posledných sto nepárnych rokov a porovnával úspechy ľudstva v určitých energetických mierkach s časom tejto udalosti.
V roku 1899 predstavil nemecký fyzik Max Planck dĺžku pomenovanú po ňom, zloženú zo základných konštánt (Planckova konštanta, gravitačná konštanta a rýchlosť svetla vo vákuu) a rovnú desiatim až mínus tridsiatym tretím silám centimetrov. V súčasnosti sa táto hodnota považuje za nedosiahnuteľnú stupnicu pre moderné experimenty, na ktorých funguje teória strún. Mierka desať centimetrov na mínus sedemnásty výkon centimetrov na logaritmickej stupnici zodpovedá stredu vzdialenosti. Preto pred vytvorením „teórie všetkého“zostáva rovnaké množstvo času, ako uplynulo 116 rokov od zavedenia Planckovej dĺžky do vedy.
Dĺžková stupnica.
Drobnosť Planckovej dĺžky umožňuje podľa Polchinského poskytnúť potrebné „rozmazanie“interakcií, čo vysvetľuje nerevormalizovateľnosť (nemožnosť eliminácie divergencií) teórie gravitácie. SM a tri základné interakcie, ktoré popisuje (elektromagnetická, slabá a silná), sú teda renormalizovateľné, zatiaľ čo verzia kvantovej gravitácie získaná naivnou kvantizáciou (tj podľa rovnakého receptu ako klasická teória poľa) sa už ukazuje ako divergentné.
Podľa Polchinského sa na Planckovej stupnici stávajú výrazné výkyvy v čase a priestore. Tvoria takzvanú časopriestorovú penu a poskytujú pozorovanú divergenciu naivnej verzie kvantovej gravitácie. Ako historický príklad vedec cituje teóriu Enrica Fermiho, ktorá kvalitatívne dobre opísala slabú interakciu, ale nebola renormalizovateľná.
Až potom, čo Steven Weinberg, Sheldon Glashow a Abdus Salam vytvorili renormalizovateľnú elektroslabú teóriu, ktorá kombinuje elektromagnetické a slabé interakcie a zaviedla stredné elektroslabé bozóny, bolo jasné, že Fermiho teória je nízkoenergetická aproximácia iného, všeobecnejšieho modelu (v tomto prípade elektroslabého). … Polchinsky verí, že to isté sa stane s kvantovou gravitáciou.
Joseph Polchinsky.
Propagačné video:
Polchinsky spája jedinečnosť dynamiky teórie strún s prítomnosťou iba jedného parametra potrebného na opísanie prírody - tzv. Strunovej konštanty. Medzitým, podľa vedcov, „teória všetkého“v súčasnosti nemá jednotný princíp (prvý princíp), ktorý by ju umožnil odvodiť deduktívnym spôsobom. Pre všeobecnú relativitu existuje taký prvok: princíp lokálnej ekvivalencie medzi gravitačným poľom a pohybom so zrýchlením. Klasický príklad tohto začiatku je vo výťahu. S jeho rovnomerne zrýchleným pohybom smerom nahor voči Zemi nemôže pozorovateľ v ňom určiť, či je v silnejšom gravitačnom poli alebo či sa pohybuje v človekom vytvorenom objekte.
Polchinsky vo svojom článku spomína význam kvantových fluktuácií pre riešenie rovníc teórie strún. Napriek tomu, že moderné rovnice teórie kvantového poľa a všeobecnej relativity dobre opisujú pozorovaný svet v dostupných experimentálnych mierkach, môžu byť modifikované, čo nie je v rozpore s prvými princípmi týchto teórií. Medzitým to vedie k dôsledkom, ktoré sa doteraz nedodržiavajú, a ktoré sú významné na Planckovej stupnici.
Polchinsky odkazuje na také modifikácie, ako je zavedenie pojmov s vyššími derivátmi do rovníc teórie kvantového poľa (v súčasnosti existujú iba kvadratické termíny s prvými derivátmi polí) a pridanie výrazov kvadratických v krivosti časopriestoru do Einsteinových rovníc v GR. Tieto pridania vedú k potrebe zohľadniť výkyvy časopriestorovej peny, ktorá existuje, podľa predpovedí teórie strún, v Planckovej stupnici.
Kvantová pena.
Polchinsky vysvetľuje úlohu priestoru pre teóriu strún pomocou príkladu zrkadlovej symetrie, ktorá umožňuje existenciu rôznych rozdeľovačov Eugenio Calabi a Shintana Yau, ktoré môžu byť zhutnené (zložené do extrémne malých dodatočných priestorových rozmerov) z rôznych priestorov, čo môže viesť k rovnakým vlastnostiam elementárnych častíc. … To (spolu s potenciálom existencie ďalších priestorových dimenzií) naznačuje, že pozorovaná fyzika je prejavom viacrozmernej geometrie časopriestoru a jeho štruktúry na Planckovej stupnici.
Dualita kalibračných teórií a kvantovej gravitácie, chápaná ako holografia, umožní podľa Polchinského opisovať fyziku častíc a gravitáciu jednotným spôsobom. Holografický princíp, navrhnutý v roku 1993 holandským fyzikom Gerardom t'Hooftom, tvrdí, že informácie obsiahnuté na jeho vonkajšej hranici (lúč) sú dostatočné na matematický popis sveta: v tomto prípade je možné získať hologramom myšlienku na objekt vyššej dimenzie, ktoré majú menší rozmer.
Pokiaľ ide o teóriu strún, zásada bola stelesnená v myšlienke korešpondencie AdS / CFT, na ktorú v roku 1998 poukázal americký teoretický fyzik argentínskeho pôvodu Juan Maldacena. V tejto hypotéze vedie ekvivalencia opisu fyziky v špeciálnych priestoroch k existencii jedinečných súvislostí medzi ich parametrami - dualitami. Matematicky sa to prejavuje v prítomnosti vzťahu, ktorý umožňuje vypočítať parametre interakcie častíc (alebo reťazcov) jednej z teórií, ak sú také známe pre druhú.
Holografický vesmír.
Polchinsky spája pokrok v chápaní fyziky čiernych dier so skutočnosťou, že v roku 1996 Andrew Strominger a Kumrun Wafa v rámci teórie strún demonštrovali odvodenie výrazu pre entropiu čiernych dier, ktorý bol termodynamicky prvýkrát získaný izraelským fyzikom Jacobom Bekensteinom v roku 1973. Ich záver naznačuje, že odparovanie čiernych dier zachováva jednotnosť kvantovej mechaniky (spojená s dôslednou interpretáciou pravdepodobnosti), ktorú predtým spochybňoval britský vedec Stephen Hawking.
Podľa Polchinského je arbitrážnosť hodnôt pozorovaných základných konštánt, hoci je to „ťažká teória“teórie všetkého”, napriek tomu môže objasniť niektoré univerzálne rysy prírody (najmä existenciu Multiverse). Vedec označil nenulovú hodnotu kozmologickej konštanty (lambda výraz v Einsteinových rovniciach) za hlavný znak, ktorý teoreticky naznačuje existenciu paralelných svetov. Podľa vedcov veľká väčšina teórií strún zahŕňa multiverse. Tieto modely tiež obsahujú nenulovú kozmologickú konštantu. To znamená, že podľa Polchinsky jeden nemôže existovať bez druhého. Okrem toho, pri použití Bayesovskej inferencie, fyzik odhadol pravdepodobnosť existencie Multiverse na 94 percent (čo zodpovedá štatistickej významnosti dvoch štandardných odchýlok).
„Možno nesúhlasíte s mojím odhadom 94 percent, ale neexistuje žiadny racionálny argument, že multivesmír neexistuje alebo je nepravdepodobný,“píše Polchinsky. Vedec je optimistický, pokiaľ ide o vyhliadky na formulovanie kvantovej gravitácie (v rámci teórie strún), naďalej pracuje týmto smerom a nevylučuje, že výstavba „teórie všetkého“bude dokončená v predstihu - skôr ako rok 2131, ktorý predpovedal.
Andrey Borisov