Clever Geek Handbook

Tanyakan Ethan No. 91: Apakah teori string diperlukan untuk gravitasi kuantum?

Tampak bagi saya bahwa begitu banyak hal menarik yang berbeda telah terjadi dalam teori string sehingga tidak mungkin salah. Orang-orang tidak memahaminya dengan baik, tetapi saya tidak percaya bahwa ada beberapa konspirasi kosmik yang telah menciptakan hal semacam itu yang tidak ada hubungannya dengan dunia nyata.

Edward Whitten

gambar

Tidak ada keraguan bahwa dari sudut pandang matematika kita tidak memiliki kekurangan dalam semua jenis peralatan matematika yang indah dan elegan. Tetapi tidak semuanya masuk akal di dunia fisik. Untuk setiap ide cemerlang yang menggambarkan apa yang bisa kita lihat dan ukur, ada ide brilian lain yang mencoba menggambarkan hal yang sama, tetapi ternyata salah. Membahas pertanyaan tentang alternatif teori string minggu lalu, saya menemukan pernyataan berikut:
, , . , , 5-10 . , , - - 10500 . ?

Pertama, ada perbedaan besar antara gravitasi kuantum, solusi teori string, dan alternatif lainnya.

Mari kita mulai dengan alam semesta kita yang terkasih. Ada teori relativitas umum - teori gravitasi kita. Dia mendalilkan bahwa seluruh sistem bekerja sedikit lebih rumit daripada "aksi jarak jauh" sederhana yang dibuat oleh Newton, di mana semua massa di semua tempat di alam semesta memancarkan gaya yang bekerja satu sama lain, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.

Massa, seperti yang dijelaskan Einstein menggunakan prinsip ekivalensi E = mc 2pada tahun 1907, hanya ada satu bentuk energi. Energi ini membungkus tatanan ruang-waktu, mengubah jalan di mana tubuh bergerak, dan menekuk apa yang akan dilihat pengamat sebagai kisi Cartesian. Objek tidak dipercepat oleh kekuatan tak kasat mata, tetapi hanya berjalan di sepanjang jalan yang melengkung oleh berbagai bentuk energi yang ada di alam semesta.

Ini gravitasi.

gambar

Di sisi lain, kita memiliki hukum alam kuantum. Elektromagnetisme dikendalikan oleh partikel bermuatan listrik dan gerakannya. Mereka dideskripsikan oleh pembawa interaksi, foton, yang bertindak sebagai perantara dan karenanya muncul sebuah fenomena yang kita kaitkan dengan listrik dan magnet. Masih ada dua kekuatan nuklir - yang lemah, yang bertanggung jawab atas peluruhan radioaktif, dan yang kuat, yang menyatukan inti atom dan umumnya memungkinkan adanya proton dan neutron.

Perhitungan gaya-gaya ini dilakukan dalam ruang-waktu datar - sehingga setiap siswa mulai mempelajari teori medan kuantum. Tetapi dengan adanya ruang-waktu yang melengkung, mematuhi teori relativitas umum, semuanya mulai berperilaku salah.

gambar

"Yah, mari kita lakukan perhitungan kuantum kita dengan latar belakang ruang melengkung!" - kamu menyarankan. Ini disebut gravitasi semi klasik, dan memungkinkan kita menghitung hal-hal seperti radiasi Hawking. Namun demikian, perhitungan ini hanya terjadi pada cakrawala peristiwa lubang hitam, dan bukan di tempat gravitasi bahkan lebih kuat. Sebagaimana dijelaskan oleh fisikawan Sabina Hossenfelder , kita memerlukan teori gravitasi quantum di beberapa tempat, dan semuanya berhubungan dengan fisika gravitasi pada jarak mikroskopis.

gambar

Misalnya, apa yang terjadi di tengah lubang hitam? Singularitas bukanlah titik kepadatan tak terhingga seperti titik di mana matematika GR memberikan jawaban yang tidak berarti untuk potensi dan kekuatan. Apa yang terjadi, misalnya, ketika sebuah elektron melewati dua slot pada saat yang sama?

gambar

Apakah medan gravitasi melewati kedua slot? Melalui salah satunya? Tidak ada jawaban untuk pertanyaan ini dalam GR.

Seolah-olah harus ada teori gravitasi quantum untuk masalah serupa dan masalah serupa lainnya yang terkait dengan relativitas umum yang "halus". Untuk menjelaskan apa yang terjadi pada jarak pendek di hadapan sumber gravitasi, atau massa, kita membutuhkan kuantum, diskrit, yaitu teori gravitasi berbasis partikel.

Berkat sifat-sifat relativitas umum, kita sudah tahu sesuatu.

gambar

Gaya kuantum yang diketahui ditransmisikan oleh partikel yang disebut boson, atau oleh partikel dengan putaran penuh. Sebuah foton mentransmisikan interaksi elektromagnetik, boson W dan Z mentransmisikan interaksi yang lemah, dan gluon mentransmisikan interaksi yang kuat. Untuk semua partikel ini, putarannya sama dengan 1, yaitu putaran partikel besar (W dan Z) dapat mengambil nilai -1, 0 atau +1, dan tanpa massa (gluon dan foton) - hanya -1 atau +1.

Higgs boson adalah boson, meskipun tidak mentransfer interaksi dan memiliki spin 0. Pengetahuan kita tentang gravitasi (GR adalah teori gaya tarik tensor) mengatakan bahwa ia harus ditransmisikan oleh partikel tak bermassa dengan spin 2, yaitu spin yang dapat mengambil nilai -2 atau +2.

gambar

Artinya, kita sudah tahu sesuatu tentang teori gravitasi quantum, bahkan sebelum kita merumuskannya! Apa pun itu, ia harus sesuai dengan GR pada jarak yang jauh - sama seperti GR harus berubah menjadi teori gravitasi Newton dalam kasus-kasus medan lemah.

Tapi bagaimana caranya? Bagaimana gravitasi dapat dikuantifikasi sehingga teorinya benar dalam menggambarkan dunia di sekitarnya, kompatibel dengan GR dan TKG, dan, lebih disukai, mengarah pada prediksi yang dihitung dari fenomena semacam itu yang dapat diamati dan diukur?

Anda telah mendengar tentang kandidat utama - ini adalah teori string.

gambar

1) Teori String. Ini adalah alat yang menarik - ini dapat mencakup semua bidang dan partikel yang dikenal dengan Model Standar, baik fermion maupun boson. Ini juga mencakup teori gravitasi tensor-skalar sepuluh dimensi, di mana ada 9 spasial, satu dimensi temporal, dan parameter medan skalar. Menghapus enam dimensi menggunakan pemadatan (proses yang dijelaskan secara tidak lengkap) dan memindahkan parameter ω, yang menjelaskan integrasi skalar, hingga tak terbatas, kami memperoleh GR.

Tetapi dengan TS ada banyak masalah fenomenologis. Sebagai contoh, dia memprediksi keberadaan banyak partikel baru, termasuk semua partikel supersimetrik, tidak ada yang ditemukan. Dia mengklaim bahwa dia tidak memerlukan "parameter bebas" sebagai Model Standar (massa partikel), tetapi dia mengganti masalah ini dengan yang lebih buruk. Kent berbicara tentang 10.500berbagai solusi - dan mereka merujuk pada harapan vakum dari nilai-nilai bidang string, tetapi tidak ada mekanisme yang akan memungkinkan mereka untuk dibentuk. Jika Anda membutuhkan TS untuk bekerja, Anda membuang dinamika dan berkata: "Yah, itu dipilih sesuai dengan prinsip antropik."

Tetapi ST jauh dari satu-satunya pilihan.

gambar

2) Lingkaran gravitasi quantum. PCG, alih-alih menghitung partikel, menyarankan untuk mempertimbangkan pilihan ruang diskrit. Bayangkan selembar peregangan dengan bola bowling di tengah. Hanya kain ini yang tidak akan mulus - lembaran aslinya benar-benar dikuantifikasi, terbuat dari molekul, dan dari atom, serta dari inti dan elektron.

Begitu pula dengan ruang. Ini dapat bekerja seperti kain, tetapi juga dapat dibuat dari entitas yang terbatas. Mungkin dia menjahit dan menjahit - di mana teorinya mengambil namanya. Jahit loop dan Anda mendapatkan jaringan yang mewakili keadaan kuantum bidang gravitasi. Dalam hal ini, bukan hanya materi, tetapi ruang akan dikuantisasi. Bagaimana sampai pada perhitungan kuantum realistis dari pandangan ini adalah pertanyaan terbuka, dan penelitiannya, yang membuat terobosan pada 2007-2008, masih aktif bergerak maju.

gambar

3) Gravitasi asimptotik aman. Upaya favorit saya untuk mendekati CTG. Kebebasan asimptotikdikembangkan pada tahun 70-an untuk menjelaskan sifat tidak biasa dari interaksi yang kuat - pada jarak pendek, gaya sangat lemah, dan ketika partikel bermuatan warna dihilangkan, ia semakin intensif. Berbeda dengan elektromagnetisme, di mana konstanta interaksi kecil, dalam interaksi kuat itu besar. Berkat sifat menarik kromodinamik kuantum, jika Anda membangun sistem tanpa warna, kekuatan interaksi akan berkurang dengan sangat cepat.

Keamanan asimptotik tampaknya menyelesaikan masalah utama yang terkait dengan ini - Anda tidak perlu konstanta interaksi yang kecil, atau cenderung nol. Anda perlu konstanta yang terbatas. Semua konstanta interaksi bervariasi dengan energi, dan keamanan asimptotik hanya memilih nilai untuk konstanta dalam kasus energi tinggi, dan yang lainnya setelah itu dapat dihitung untuk energi yang lebih rendah.

Benar, sejauh ini kita telah menemukan cara untuk mengatasi ini hanya dalam ruang dua dimensi, di mana 1 dimensi ada di ruang dan satu ada dalam waktu. Namun prosesnya sedang berlangsung. Christoph Wetterich menerbitkan dua karya terobosan di tahun 90-an. Dan enam tahun lalu, dia menggunakan teori ini untuk memprediksi massa boson Higgs sebelum ditemukan oleh LHC. Dan hasilnya bertepatan dengan kenyataan. Ini adalah prediksi yang luar biasa sehingga ketika bar kesalahan perhitungan turun lebih rendah lagi, dan massa bos-W dan bos Higgs diselesaikan, kita bahkan tidak memerlukan partikel elementer lainnya (seperti supersimetrik) agar fisika dapat berperilaku stabil sampai ke skala Planck.

gambar



Tidak hanya menjanjikan, ia memiliki sifat positif yang sama dengan teori string: ia mengkuantifikasi gravitasi, merosot menjadi relativitas umum pada energi rendah, dan terbatas-UV. Dan dia, tidak seperti string, tidak membutuhkan kereta sampah tambahan yang tidak ada bukti.

gambar

4) triangulasi dinamis sebab akibat. Ini adalah produk baru yang dikembangkan pada tahun 2000 oleh Rinate Loll.. Ini menyerupai PCG dalam hal diskresi ruang, tetapi terutama berkaitan dengan evolusi ruang itu sendiri. Salah satu sifat menarik dari teori ini adalah bahwa waktu juga diskrit. Teori ini menyiratkan ruang-waktu 4-dimensi (tidak didalilkan, tetapi mengikuti), yang pada energi tinggi berubah menjadi dua dimensi. Ini didasarkan pada konsep matematika simpleks, yang merupakan analog multidimensi segitiga. 2-simplex adalah segitiga, 3-simplex adalah tetrahedron, dan sebagainya. Menariknya, prinsip pelestarian kausalitas jelas mengikuti dari teori ini. Dia mungkin bisa menggambarkan gravitasi, tetapi sejauh ini kami tidak 100% yakin bahwa Model Standar partikel elementer dapat didorong ke dalamnya.

gambar

5) Induksi gravitasi. Teori paling spekulatif dan terbaru yang mulai dikenal pada tahun 2009, ketika Eric Verlinde mengusulkan teori gravitasi entropi - sebuah model di mana gravitasi bukanlah kekuatan utama, tetapi mengikuti dari fenomena yang terkait dengan entropi. Benih-benih teori ini kembali ke penemuan kondisi untuk munculnya asimetri baryonic dari alam semesta, dengan konsep Andrei Sakharov, yang diusulkan olehnya pada tahun 1967. Teorinya terlalu baru untuk ditanyakan.

gambar

Nah, apa yang kita miliki saat ini mengenai masalah gravitasi quantum. Kita membutuhkannya untuk membuat alam semesta bekerja pada tingkat partikel, tetapi kita tidak tahu bagaimana kelihatannya dan apakah ada teori yang dijelaskan akan bermain. Teori string adalah yang paling banyak dipelajari dari semua, gravitasi aman asimptotik adalah favorit saya, loop quantum gravity adalah yang paling populer kedua dari lima, dan triangulasi dinamis sebab akibat dan gravitasi yang diinduksi adalah teori-teori baru yang sekarang sedang dikembangkan secara aktif.

More articles:


All Articles