Fizicianul teoretic Joseph Polchinsky de la Universitatea California din Santa Barbara a prezis anul finalizării creării teoriei cuantice a gravitației. Potrivit savantului, acest lucru se va întâmpla în 2131 și se va baza pe teoria coardelor, pe care majoritatea covârșitoare a fizicienilor și matematicienilor moderni o recunosc ca fiind singurul candidat pentru rolul de „teorie a tuturor”. Polchinsky, laureat al Premiului Fizicii Fundamentale înființat de antreprenorul rus Yuri Milner, și-a prezentat considerațiile sale într-o amprentă pe site-ul arXiv.org.
În procesul de dezvoltare, fizica a investigat scări tot mai mici de distanțe și scale de energii din ce în ce mai mari. La începutul secolului XX, oamenii de știință au primit primele lor idei despre fenomene care se petrec la scară atomică. Până acum, fizicienii au acces la solzi de zece la puterea minus a șaptesprezecea de centimetri, corespunzând experimentelor la Colizorul de Hadroni Mari, ceea ce a făcut posibilă descoperirea bosonului Higgs. Comparând etapele și ritmurile dezvoltării fizicii în secolele XX și începutul secolului XXI, Polchinsky a prezis că până în 2131 teoria cuantică a gravitației va fi în sfârșit formulată. Pentru aceasta, savantul a examinat evoluția fizicii în ultimii sute de ani și a comparat realizările omenirii anumitor scale de energie cu timpul acestui eveniment.
În 1899, fizicianul german Max Planck a luat în considerare lungimea numită după el, compusă din constante fundamentale (constanta lui Planck, constanta gravitațională și viteza luminii în vid) și egală cu zece până la minus treizeci și treia de centimetri. În prezent, această valoare este considerată o scară de neatins pentru experimentele moderne pe care operează teoria șirurilor. Scara de zece centimetri până la minus șaptesprezecea putere de centimetri pe o scară logaritmică corespunde la mijlocul distanței. În consecință, aceeași perioadă de timp rămâne înainte de crearea „teoriei a tot”, așa cum au trecut 116 ani de la introducerea lungimii Planck în știință.
Scara lungimii.
Minusimea lungimii Planck permite, potrivit lui Polchinsky, să furnizeze necesarul de „interacțiune” a interacțiunilor, explicând non-renormalizabilitatea (imposibilitatea eliminării divergențelor) teoriei gravitației. Astfel, SM și cele trei interacțiuni fundamentale descrise de acesta (electromagnetice, slabe și puternice) sunt renormalizabile, în timp ce versiunea gravitației cuantice obținută prin cuantizarea naivă (adică conform aceleiași rețete ca teoria clasică a câmpurilor), deja în al doilea ordin al teoriei perturbațiilor se dovedește a fi divergente.
Potrivit lui Polchinsky, pe scara Planck, fluctuațiile spațiu-timp devin semnificative. Ele formează așa-numita spumă spațiu-timp și asigură divergența observată a versiunii naive a gravitației cuantice. Ca exemplu istoric, omul de știință citează teoria lui Enrico Fermi, care descrie calitativ interacțiunea slabă, dar nu era renormalizabilă.
Abia după ce Steven Weinberg, Sheldon Glashow și Abdus Salam au creat o teorie electromagnetică renormalizabilă, care combină interacțiuni electromagnetice și slabe și introduce bosoni electroweak intermediari, a devenit clar că teoria lui Fermi este o aproximare a energiei scăzute a unui alt model mai general (în acest caz, electroweak) … Polchinsky consideră că același lucru se va întâmpla cu gravitația cuantică.
Joseph Polchinsky.
Video promotional:
Polchinsky conectează unicitatea dinamicii teoriei șirurilor cu prezența unui singur parametru necesar pentru a descrie natura - așa-numita constantă de șir. Între timp, în opinia savantului, în prezent, „teoria tuturor” nu are niciun principiu uniform (primul principiu) care să permită deducerea acestuia într-un mod deductiv. Pentru relativitatea generală, există un astfel de element: principiul echivalenței locale între câmpul gravitațional și mișcare cu accelerație. Exemplul clasic al acestui început este în lift. Prin mișcarea sa uniformă accelerată în raport cu Pământul, observatorul din ea nu este capabil să stabilească dacă se află într-un câmp gravitațional mai puternic sau se mișcă într-un obiect creat de om.
În articolul său, Polchinsky menționează importanța fluctuațiilor cuantice pentru rezolvarea ecuațiilor teoriei șirurilor. În ciuda faptului că ecuațiile moderne ale teoriei cuantice a câmpurilor și ale relativității generale descriu lumea observată pe scările experimentale disponibile, acestea pot fi modificate, ceea ce nu contravine primelor principii ale acestor teorii. Între timp, acest lucru duce la efecte care nu sunt observate până în prezent, care sunt semnificative pe scara Planck.
Polchinsky se referă la astfel de modificări precum introducerea termenilor cu derivați superiori în ecuațiile teoriei cuantice a câmpurilor (în prezent, există doar termeni quadratici cu primele derivate ale câmpurilor) și adăugarea de termeni quadratici în curbura spațiului-timp la ecuațiile Einstein în GR. Aceste completări duc la necesitatea de a ține cont de fluctuațiile spumei spațiu-timp care există, conform previziunilor teoriei șirurilor, pe scara Planck.
Spuma cuantică.
Polchinsky explică rolul spațiului pentru teoria șirurilor folosind exemplul simetriei oglinzilor, care permite existența diferitelor varietăți de Eugenio Calabi și Shintana Yau, care, fiind compactate (împăturite în dimensiuni spațiale suplimentare extrem de mici) din spații diferite, pot duce la aceleași proprietăți ale particulelor elementare. … Acest lucru (împreună cu potențialul existenței unor dimensiuni spațiale suplimentare) sugerează că fizica observată este o manifestare a geometriei multidimensionale a spațiului-timp și a structurii sale pe scara Planck.
Dualitatea teoriilor gabaritului și a gravitației cuantice, înțelese ca holografie, vor permite, potrivit lui Polchinsky, să descrie fizica particulelor și gravitația într-un mod uniform. Principiul holografic, propus în 1993 de fizicianul olandez Gerard t'Hooft, susține că informațiile conținute pe granița sa exterioară (fasciculul) sunt suficiente pentru o descriere matematică a unei lumi: în acest caz, o idee despre un obiect de dimensiune superioară poate fi obținută din holograme; având o dimensiune inferioară.
După cum s-a aplicat teoriei șirurilor, principiul a fost întruchipat în ideea corespondenței AdS / CFT, care a fost evidențiată în 1998 de fizicianul teoretic american de origine argentiniană Juan Maldacena. În această ipoteză, echivalența descrierii fizicii în spații speciale conduce la existența conexiunilor unice între parametrii lor - dualități. Din punct de vedere matematic, acest lucru se manifestă în prezența unei relații care permite unuia să calculeze parametrii interacțiunilor de particule (sau șiruri) din una dintre teorii, dacă acestea sunt cunoscute pentru cealaltă.
Universul holografic.
Polchinsky conectează progresul în înțelegerea fizicii găurilor negre cu faptul că, în 1996, în cadrul teoriei șirurilor, Andrew Strominger și Kumrun Wafa au demonstrat derivarea expresiei pentru entropia găurilor negre, obținută prima dată termodinamic de către fizicianul israelian Jacob Bekenstein în 1973. Concluzia lor indică faptul că evaporarea găurilor negre păstrează unitatea mecanicii cuantice (asociată cu o interpretare consistentă a probabilității), care a fost pusă anterior la întrebarea savantului britanic Stephen Hawking.
Arbitraritatea în valorile constantelor fundamentale observate, potrivit lui Polchinsky, deși este o dificultate serioasă în „teoria a tot”, poate totuși clarifica unele caracteristici universale ale naturii (în special, existența Multiversului). Savantul a numit valoarea non-zero a constantei cosmologice (termenul lambda în ecuațiile lui Einstein) drept caracteristica principală care indică teoretic existența unor lumi paralele. Potrivit savantului, marea majoritate a teoriilor despre coarde implică Multiversul. Aceste modele conțin și o constantă cosmologică non-zero. Adică, potrivit lui Polchinsky, unul nu poate exista fără celălalt. Mai mult, aplicând inferența Bayesiană, fizicianul a estimat probabilitatea existenței Multiversului la 94% (aceasta corespunde unei semnificații statistice a două abateri standard).
„S-ar putea să nu fiți de acord cu estimarea mea de 94 la sută, dar nu există niciun argument rațional potrivit căruia multiversul nu există sau că este puțin probabil”, scrie Polchinsky. Omul de știință este optimist cu privire la perspectivele formulării gravitației cuantice (în cadrul teoriei șirurilor), continuă să lucreze în această direcție și nu exclude că construcția unei „teorii a tot” va fi finalizată înainte de termen - mai devreme decât anul 2131 prevăzut de el.
Andrey Borisov
