Fizyk teoretyczny Joseph Polchinsky z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara przewidział rok zakończenia tworzenia kwantowej teorii grawitacji. Zdaniem naukowca nastąpi to w 2131 roku i będzie to oparte na teorii strun, którą przytłaczająca większość współczesnych fizyków i matematyków uznaje za jedynego kandydata do roli „teorii wszystkiego”. Polchinsky, laureat Fundamental Physics Prize ustanowionej przez rosyjskiego przedsiębiorcę Jurija Milnera, przedstawił swoje przemyślenia w przedruku na stronie arXiv.org.
W trakcie rozwoju fizyka badała coraz mniejsze skale odległości i coraz większe skale energii. Na początku XX wieku naukowcy wpadli na pierwsze pomysły na zjawiska zachodzące w skali atomowej. Obecnie fizycy mają dostęp do skali od dziesięciu do minus siedemnastej potęgi centymetrów, co odpowiada eksperymentom w Wielkim Zderzaczu Hadronów, które umożliwiły odkrycie bozonu Higgsa. Porównując etapy i tempo rozwoju fizyki w XX i na początku XXI wieku, Polchinsky przewidział, że do 2131 roku zostanie ostatecznie sformułowana kwantowa teoria grawitacji. W tym celu naukowiec zbadał ewolucję fizyki w ciągu ostatnich stu lat i porównał osiągnięcia ludzkości w pewnych skalach energetycznych z czasem tego wydarzenia.
W 1899 roku niemiecki fizyk Max Planck uwzględnił długość nazwaną jego imieniem, składającą się z podstawowych stałych (stałej Plancka, stałej grawitacyjnej i prędkości światła w próżni) i równej od dziesięciu do minus trzydziestu trzecich potęg centymetrów. Obecnie wartość tę uważa się za nieosiągalną skalę dla współczesnych eksperymentów, na których operuje teoria strun. Skala od dziesięciu centymetrów do minus siedemnastej potęgi centymetrów na skali logarytmicznej odpowiada połowie odległości. W związku z tym do stworzenia „teorii wszystkiego” pozostało tyle samo czasu, ile minęło 116 lat od wprowadzenia długości Plancka do nauki.
Długość skali.
Mała długość Plancka pozwala, zdaniem Polchinsky'ego, zapewnić niezbędne „rozmazanie” oddziaływań, wyjaśniające niezdolność do renormalizacji (niemożność wyeliminowania rozbieżności) teorii grawitacji. Tak więc SM i opisane przez nią trzy podstawowe oddziaływania (elektromagnetyczne, słabe i silne) można renormalizować, podczas gdy wersja kwantowej grawitacji uzyskana przez naiwną kwantyzację (czyli według tego samego przepisu co klasyczna teoria pola) już w drugiej kolejności teorii perturbacji okazuje się być rozbieżny.
Według Polchinsky'ego w skali Plancka fluktuacje czasoprzestrzenne stają się znaczące. Tworzą tak zwaną piankę czasoprzestrzenną i zapewniają obserwowaną dywergencję naiwnej wersji kwantowej grawitacji. Jako przykład historyczny, naukowiec przytacza teorię Enrico Fermiego, która jakościowo dobrze opisała słabą interakcję, ale nie dała się renormalizować.
Dopiero po tym, jak Steven Weinberg, Sheldon Glashow i Abdus Salam stworzyli renormalizowalną teorię elektrosłabą, która łączy oddziaływania elektromagnetyczne i słabe oraz wprowadza pośrednie bozony elektrosłabe, stało się jasne, że teoria Fermiego jest niskoenergetycznym przybliżeniem innego, bardziej ogólnego modelu (w tym przypadku elektrosłabego). … Polchinsky uważa, że to samo stanie się z grawitacją kwantową.
Joseph Polchinsky.
Film promocyjny:
Polchinsky łączy wyjątkowość dynamiki teorii strun z obecnością tylko jednego parametru niezbędnego do opisu przyrody - tzw. Stałej struny. Tymczasem zdaniem naukowca „teoria wszystkiego” nie ma obecnie żadnej jednolitej zasady (pierwszej zasady), która pozwala na dedukcyjne jej dedukowanie. W przypadku ogólnej teorii względności istnieje taki element: zasada lokalnej równoważności między polem grawitacyjnym a ruchem z przyspieszeniem. Klasycznym przykładem tego początku jest winda. Dzięki jednostajnie przyspieszonemu ruchowi w górę względem Ziemi obserwator nie jest w stanie określić, czy znajduje się w silniejszym polu grawitacyjnym, czy porusza się w obiekcie sztucznym.
W swoim artykule Polchinsky wspomina o znaczeniu fluktuacji kwantowych w rozwiązywaniu równań teorii strun. Pomimo faktu, że współczesne równania kwantowej teorii pola i ogólnej teorii względności dobrze opisują obserwowany świat w dostępnych skalach eksperymentalnych, można je modyfikować, co nie jest sprzeczne z pierwszymi zasadami tych teorii. Tymczasem prowadzi to do efektów, których dotychczas nie obserwowano, a które są istotne w skali Plancka.
Polchinsky odnosi się do takich modyfikacji, jak wprowadzenie terminów o wyższych pochodnych do równań kwantowej teorii pola (obecnie istnieją tylko wyrażenia kwadratowe z pierwszymi pochodnymi pól) oraz dodanie wyrażeń kwadratowych na krzywej czasoprzestrzeni do równań Einsteina w GR. Te dodatki prowadzą do konieczności uwzględnienia fluktuacji pianki czasoprzestrzennej, która istnieje, zgodnie z przewidywaniami teorii strun, w skali Plancka.
Piana kwantowa.
Polchinsky wyjaśnia rolę przestrzeni dla teorii strun na przykładzie symetrii lustrzanej, która pozwala na istnienie różnych rozmaitości Eugenio Calabiego i Shintany Yau, które po zagęszczeniu (złożeniu w niezwykle małe dodatkowe wymiary przestrzenne) z różnych przestrzeni mogą prowadzić do tych samych właściwości cząstek elementarnych … To (wraz z potencjałem istnienia dodatkowych wymiarów przestrzennych) sugeruje, że obserwowana fizyka jest przejawem wielowymiarowej geometrii czasoprzestrzeni i jej struktury w skali Plancka.
Dwoistość teorii cechowania i grawitacji kwantowej, rozumianej jako holografia, pozwoli, zdaniem Polchinsky'ego, opisać fizykę cząstek i grawitację w jednolity sposób. Zasada holograficzna, zaproponowana w 1993 roku przez holenderskiego fizyka Gerarda t'Hoofta, głosi, że informacje zawarte na jej zewnętrznej granicy (wiązce) są wystarczające do matematycznego opisu świata: w tym przypadku ideę obiektu o wyższych wymiarach można uzyskać z hologramów, o niższym wymiarze.
W zastosowaniu do teorii strun zasada ta została zawarta w idei korespondencji AdS / CFT, na którą zwrócił uwagę w 1998 roku amerykański fizyk teoretyczny pochodzenia argentyńskiego Juan Maldacena. W tej hipotezie równoważność opisu fizyki w przestrzeniach specjalnych prowadzi do istnienia unikalnych powiązań między ich parametrami - dualnościami. Matematycznie przejawia się to w obecności związku, który pozwala obliczyć parametry oddziaływań cząstek (lub strun) jednej z teorii, jeśli taka jest znana z drugiej.
Wszechświat holograficzny.
Polchinsky łączy postęp w zrozumieniu fizyki czarnych dziur z faktem, że w 1996 roku w ramach teorii strun Andrew Strominger i Kumrun Wafa zademonstrowali wyprowadzenie wyrażenia na entropię czarnych dziur, po raz pierwszy uzyskanego termodynamicznie przez izraelskiego fizyka Jacoba Bekensteina w 1973 roku. Ich wniosek wskazuje, że odparowanie czarnych dziur zachowuje jedność mechaniki kwantowej (związaną ze spójną interpretacją prawdopodobieństwa), którą wcześniej zakwestionował brytyjski naukowiec Stephen Hawking.
Arbitralność w wartościach obserwowanych stałych fundamentalnych, zdaniem Polchinsky'ego, choć stanowi poważną trudność w „teorii wszystkiego”, może jednak wyjaśnić pewne uniwersalne cechy przyrody (w szczególności istnienie Multiwszechświata). Naukowiec nazwał niezerową wartość stałej kosmologicznej (wyrażenia lambda w równaniach Einsteina) jako główną cechę, która teoretycznie wskazuje na istnienie równoległych światów. Zdaniem naukowca zdecydowana większość teorii strun dotyczy multiwersu. Modele te zawierają również niezerową stałą kosmologiczną. Oznacza to, że według Polchinsky'ego jedno nie może istnieć bez drugiego. Ponadto fizyk, stosując wnioskowanie bayesowskie, oszacował prawdopodobieństwo istnienia Multiwersu na 94% (odpowiada to istotności statystycznej dwóch odchyleń standardowych).
„Możesz nie zgodzić się z moimi 94-procentowymi szacunkami, ale nie ma racjonalnego argumentu, że multiwszechświat nie istnieje lub jest mało prawdopodobny” - pisze Polchinsky. Naukowiec optymistycznie ocenia perspektywy sformułowania grawitacji kwantowej (w ramach teorii strun), kontynuuje prace w tym kierunku i nie wyklucza, że budowa „teorii wszystkiego” zostanie ukończona przed planowanym terminem - przed przewidywanym przez niego rokiem 2131.
Andrey Borisov