Den teoretiske fysiker Joseph Polchinsky fra University of California i Santa Barbara forudsagde året for færdiggørelsen af oprettelsen af kvanteteorien om tyngdekraft. Ifølge videnskabsmanden vil dette ske i 2131 og vil være baseret på strengteori, som det overvældende flertal af moderne fysikere og matematikere anerkender som den eneste kandidat til rollen som "teori om alt." Polchinsky, en vinder af grundlæggende fysikprisen, der blev oprettet af den russiske iværksætter Yuri Milner, skitserede sine overvejelser i en fortryk på webstedet arXiv.org.
I udviklingsprocessen undersøgte fysik stadig mindre skalaer til afstande og stadig større skalaer af energier. I begyndelsen af det 20. århundrede modtog forskere deres første ideer om fænomener, der forekommer i atomskala. På nuværende tidspunkt har fysikere adgang til skalaer fra ti til minus syttende kraft af centimeter, svarende til eksperimenter på Large Hadron Collider, som gjorde det muligt at opdage Higgs boson. Sammenlignende stadierne og hastighederne i fysikens udvikling i XX og det tidlige XXI århundrede forudsagde Polchinsky, at kvanteteorien om tyngdekraft i 2131 endelig ville blive formuleret. Til dette undersøgte videnskabsmanden fysikens udvikling i de sidste hundrede ulige år og sammenlignede menneskets resultater af bestemte energiskalaer med tidspunktet for denne begivenhed.
I 1899 indførte den tyske fysiker Max Planck den længde, der var opkaldt efter ham, der var sammensat af grundlæggende konstanter (Plancks konstante, gravitationskonstant og lysets hastighed i et vakuum) og svarede til ti til minus tredive tredjedel kræfter på centimeter. På nuværende tidspunkt betragtes denne værdi som en uopnåelig skala for moderne eksperimenter, som strengteori fungerer på. Skalaen på ti centimeter til den minus syttende effekt af centimeter på en logaritmisk skala svarer til midten af afstanden. Følgelig forbliver den samme mængde tid inden oprettelsen af "teorien om alting", som 116 år er gået siden introduktionen af Planck-længden i videnskaben.
Længde skala.
Den mindste Planck-længde giver ifølge Polchinsky mulighed for at tilvejebringe den nødvendige "udtværning" af interaktioner, hvilket forklarer den ikke-renormaliserbarhed (umulighed ved at eliminere afvigelser) af tyngdekraften. Således er SM og de tre grundlæggende interaktioner, den beskriver (elektromagnetisk, svag og stærk), renormaliserbare, mens versionen af kvantetyngdekraft opnået ved naiv kvantisering (det vil sige i henhold til den samme opskrift som klassisk feltteori), allerede i anden rækkefølge af forstyrrelsesteori viser sig at være divergerende.
Ifølge Polchinsky, på Planck-skalaen, bliver rum-tidsudsving betydelige. De danner det såkaldte rumtidskum og giver den observerede afvigelse i den naive version af kvantetyngdekraften. Som et historisk eksempel citerer videnskabsmanden teorien om Enrico Fermi, som kvalitativt godt beskrev det svage samspil, men ikke kunne renormaliseres.
Det var først efter Steven Weinberg, Sheldon Glashow og Abdus Salam skabte en renormaliserbar elektroweak-teori, der kombinerer elektromagnetiske og svage interaktioner og introducerer mellemliggende electroweak-bosoner, at det blev klart, at Fermis teori er en lavenergimæssig tilnærmelse af en anden, mere generel model (i dette tilfælde electroweak) … Polchinsky mener, at det samme vil ske med kvantetyngdekraften.
Joseph Polchinsky.
Salgsfremmende video:
Polchinsky forbinder unikheden i dynamikken i strengteori med tilstedeværelsen af kun en parameter, der er nødvendig for at beskrive naturen - den såkaldte strengkonstant. I mellemtiden, ifølge videnskabsmanden, har "teorien om alting" på nuværende tidspunkt ikke noget ensartet princip (første princip), der tillader det at blive dedueret på en deduktiv måde. Til generel relativitet er der et sådant element: princippet om lokal ækvivalens mellem tyngdefeltet og bevægelse med acceleration. Det klassiske eksempel på denne begyndelse er i elevatoren. Med sin ensartede accelererede opadgående bevægelse i forhold til Jorden er observatøren i den ikke i stand til at bestemme, om den befinder sig i et stærkere tyngdefelt eller bevæger sig i et menneskeskabt objekt.
I sin artikel nævner Polchinsky betydningen af kvantefluktuationer for at løse strengteori-ligninger. På trods af det faktum, at de moderne ligninger af kvantefeltteori og generel relativitet beskriver den observerede verden godt på de tilgængelige eksperimentelle skalaer, kan de modificeres, der ikke er i modstrid med de første principper i disse teorier. I mellemtiden fører dette til effekter, der ikke er observeret til dato, som er betydningsfulde på Planck-skalaen.
Polchinsky henviser til sådanne modifikationer som introduktion af udtryk med højere derivater i ligningerne af kvantefeltteori (på nuværende tidspunkt er der kun kvadratiske termer med de første derivater af felterne) og tilføjelse af termer kvadratisk i rumtidens krumning til Einstein-ligningerne i GR. Disse tilføjelser fører til behovet for at tage højde for svingningerne i rumtidskummet, der findes i henhold til forudsigelser fra strengteori på Planck-skalaen.
Kvanteskum.
Polchinsky forklarer pladsens rolle for strengteori ved hjælp af eksemplet med spejlsymmetri, der tillader eksistensen af forskellige manifolde af Eugenio Calabi og Shintana Yau, der ved at blive komprimeret (foldet i ekstremt små yderligere rumlige dimensioner) fra forskellige rum kan føre til de samme egenskaber ved elementære partikler … Dette (sammen med potentialet for eksistensen af yderligere rumlige dimensioner) antyder, at den observerede fysik er en manifestation af den multidimensionelle geometri af rum-tid og dens struktur i Planck-skalaen.
Dualiteten af gauge teorier og kvantetyngdekraft, forstået som holografi, giver ifølge Polchinsky mulighed for at beskrive partikelfysik og tyngdekraft på en ensartet måde. Det holografiske princip, der blev foreslået i 1993 af den hollandske fysiker Gerard t'Hooft, hævder, at informationen indeholdt i dens ydre grænse (bjælke) er tilstrækkelig til en matematisk beskrivelse af en verden: i dette tilfælde kan en idé om et objekt med højere dimension opnås fra hologrammer, har en lavere dimension.
Som anvendt på strengteori blev princippet legemliggjort i ideen om AdS / CFT-korrespondance, som blev påpeget i 1998 af den amerikanske teoretiske fysiker af argentinsk oprindelse Juan Maldacena. I denne hypotese fører ækvivalensen af beskrivelsen af fysik i specielle rum til eksistensen af unikke forbindelser mellem deres parametre - dualiteter. Matematisk manifesterer dette sig i nærværelse af en relation, der tillader en at beregne parametrene for interaktioner mellem partikler (eller strenge) i en af teorierne, hvis sådanne er kendt for den anden.
Det holografiske univers.
Polchinsky forbinder fremskridt med at forstå sorte hullers fysik med det faktum, at Andrew Strominger og Kumrun Wafa i 1996 demonstrerede afledningen af udtrykket for entropien af sorte huller, først opnået termodynamisk af den israelske fysiker Jacob Bekenstein i 1973. Deres konklusion indikerer, at fordampningen af sorte huller bevarer kvantemekanikkens unitaritet (forbundet med en konsekvent fortolkning af sandsynligheden), som tidligere blev stillet spørgsmålstegn ved af den britiske forsker Stephen Hawking.
Vilkårlighed i værdierne af de observerede grundlæggende konstanter, ifølge Polchinsky, selv om det er en alvorlig vanskelighed i "teorien om alt", kan ikke desto mindre afklare nogle universelle træk ved naturen (især eksistensen af Multivers). Forskeren udnævnte den ikke-nøjagtige værdi af den kosmologiske konstant (lambda-betegnelsen i Einsteins ligninger) som det vigtigste træk, der teoretisk angiver eksistensen af parallelle verdener. Ifølge videnskabsmanden involverer langt de fleste strengteorier Multivers. Disse modeller indeholder også en ikke-nøjagtig kosmologisk konstant. Det er, ifølge Polchinsky, den ene kan ikke eksistere uden den anden. Ved anvendelse af Bayesisk inferens estimerede fysikeren endvidere sandsynligheden for, at multiversen eksisterede til 94 procent (dette svarer til en statistisk signifikans af to standardafvigelser).
"Du er måske uenig i mit estimat på 94 procent, men der er intet rationelt argument for, at multiversen ikke findes, eller at det er usandsynligt," skriver Polchinsky. Videnskabsmanden er optimistisk med hensyn til udsigterne til formulering af kvantetyngdekraft (inden for rammerne af strengteori), arbejder fortsat i denne retning og udelukker ikke, at konstruktionen af en "teori om alting" vil blive afsluttet inden planen - tidligere end året 2131, der blev forudsagt af ham.
Andrey Borisov