Teoretični fizik Joseph Polchinsky iz kalifornijske univerze v Santa Barbari je napovedal leto zaključka ustvarjanja kvantne teorije gravitacije. Po mnenju znanstvenika se bo to zgodilo leta 2131 in bo temeljilo na teoriji strun, ki jo velika večina sodobnih fizikov in matematikov priznava kot edinega kandidata za vlogo "teorije vsega". Polchinski, dobitnik nagrade za temeljno fiziko, ki jo je ustanovil ruski podjetnik Jurij Milner, je svoje premisleke predstavil v uvodnem tisku na spletni strani arXiv.org.
V procesu razvoja je fizika raziskovala vedno manjše lestvice razdalj in vedno večje lestvice energij. Na začetku 20. stoletja so znanstveniki dobili prve ideje o pojavih, ki se pojavljajo v atomskem merilu. Doslej imajo fiziki dostop do tehtnic od deset do minus sedemnajst centimetrov, kar ustreza poskusom na velikem hadronskem trkalniku, ki so omogočili odkritje Higgsovega bozona. Primerjaj stopnje in stopnje razvoja fizike v XX in zgodnjem XXI stoletju, je Polčinski predvideval, da bo do leta 2131 dokončno oblikovana kvantna teorija gravitacije. Zaradi tega je znanstvenik preučil razvoj fizike v zadnjih stotih letih in primerjal dosežke človeštva na določenih lestvicah energije s časom tega dogodka.
Leta 1899 je nemški fizik Max Planck upošteval dolžino, imenovano po njem, sestavljeno iz temeljnih konstant (Planckova konstanta, gravitacijska konstanta in hitrost svetlobe v vakuumu) in enaka od deset do minus trideset tretji moči centimetrov. Trenutno ta vrednost velja za nedosegljivo lestvico za sodobne poskuse, na katerih deluje teorija strun. Lestvica od deset centimetrov do minus sedemnajst moči centimetrov na logaritmični lestvici ustreza sredini razdalje. V skladu s tem je pred uvedbo "teorije vsega" ostalo toliko časa, kot je minilo 116 let od uvedbe Planckove dolžine v znanost.
Dolžina lestvice.
Majhnost Planckove dolžine omogoča, po Polčinskem, zagotavljanje potrebnega "razmazanja" interakcij, s čimer razloži nerenormalizacijo (nemogoče odpravljanje razlik) teorije gravitacije. Tako se SM in tri temeljne interakcije, ki jih opisuje (elektromagnetna, šibka in močna), ne morejo razrešiti, medtem ko se različica kvantne gravitacije, pridobljena z naivno kvantizacijo (torej po istem receptu kot klasična teorija polja), že v drugem zaporedju teorije vznemirjenja izkaže za divergentno.
Po Polčinskem kažejo, da na Planckovi lestvici prostorsko-časovna nihanja postanejo pomembna. Oblikujejo tako imenovano vesoljsko-časovno peno in zagotavljajo opaženo razhajanje naivne različice kvantne gravitacije. Kot zgodovinski primer znanstvenik navaja teorijo Enrica Fermija, ki je kvalitativno dobro opisal šibko interakcijo, vendar ni bil renormaliziran.
Šele po tem, ko so Steven Weinberg, Sheldon Glashow in Abdus Salam ustvarili renormabilno teorijo o elektronizijih, ki združuje elektromagnetne in šibke interakcije in uvajajo vmesne elektronske šibke bosone, je postalo jasno, da je Fermijeva teorija nizkoenergijski približek drugega, splošnejšega modela (v tem primeru elektroweak) … Polčinski meni, da se bo isto zgodilo tudi s kvantno gravitacijo.
Jožef Polčinski.
Promocijski video:
Polčinski povezuje edinstvenost dinamike teorije strun s prisotnostjo le enega parametra, ki je potreben za opis narave - tako imenovane konstante strun. Medtem po mnenju znanstvenika trenutno "teorija vsega" nima nobenega enotnega načela (prvega načela), ki bi omogočilo deduktivni način. Za splošno relativnost obstaja tak element: načelo lokalne enakovrednosti med gravitacijskim poljem in gibanjem s pospeškom. Klasičen primer tega začetka je v dvigalu. Z enakomerno pospešenim gibanjem navzgor glede na Zemljo opazovalec na njem ne more ugotoviti, ali je v močnejšem gravitacijskem polju ali se premika v umetnem predmetu.
Polčinski v svojem članku omenja pomen kvantnih nihanj za reševanje enačb teorije strun. Kljub temu, da sodobne enačbe kvantne teorije polja in splošne relativnosti dobro opišejo opazovani svet na razpoložljivih poskusnih lestvicah, jih je mogoče spremeniti, kar ne nasprotuje prvim načelom teh teorij. Medtem to povzroči učinke, ki jih do zdaj še nismo opazili, pomembne pa so po Planckovi lestvici.
Polčinski se na takšne spremembe sklicuje kot vnašanje izrazov z višjimi izpeljankami v enačbe kvantne teorije polja (trenutno obstajajo samo kvadratni izrazi s prvimi izpeljanimi polji) in dodajanje izrazov, kvadratnih v ukrivljenosti prostora-časa, z Einsteinovim enačbami v GR. Ti dodatki vodijo k temu, da je treba po predvidevanjih teorije strun na Planckovi lestvici upoštevati nihanja prostorsko-časovne pene.
Kvantna pena.
Polčinski razloži vlogo prostora za teorijo strun na primeru zrcalne simetrije, ki omogoča obstoj različnih mnogovrstnikov Eugenio Calabi in Shintana Yau, ki lahko, če so kompaktni (zloženi v izjemno majhne dodatne prostorske dimenzije) iz različnih prostorov, privedejo do enakih lastnosti elementarnih delcev … To (skupaj s potencialom obstoja dodatnih prostorskih dimenzij) nakazuje, da je opazovana fizika manifestacija večdimenzionalne geometrije prostora-časa in njene strukture na Planckovi lestvici.
Dvojnost teorij merilnikov in kvantna gravitacija, ki se razume kot holografija, bosta po Polčinskem omogočila enoten opis fizike in gravitacije delcev. Holografsko načelo, ki ga je leta 1993 predlagal nizozemski fizik Gerard t'Hooft, trdi, da informacije, vsebovane na njegovi zunanji meji (snopu), zadostujejo za matematični opis sveta: v tem primeru je mogoče s hologrami pridobiti predstavo o predmetu višje dimenzije oz. ki imajo nižjo dimenzijo.
Kot je uporabljeno v teoriji strun, je bilo načelo utelešeno v ideji o korespondenci AdS / CFT, ki jo je leta 1998 opozoril ameriški teoretični fizik argentinskega izvora Juan Maldacena. V tej hipotezi enakovrednost opisa fizike v posebnih prostorih vodi do obstoja edinstvenih povezav med njihovimi parametri - dvojnosti. Matematično se to pokaže v prisotnosti razmerja, ki omogoča izračun parametrov medsebojnih vplivov delcev (ali strun) ene od teorij, če so druge znane.
Holografsko vesolje.
Polchinski povezuje napredek pri razumevanju fizike črnih lukenj z dejstvom, da sta leta 1996 v okviru teorije strun Andrew Strominger in Kumrun Wafa dokazala izpeljavo izraza za entropijo črnih lukenj, ki ga je izraelski fizik Jacob Bekenstein leta 1973 prvič termodinamično pridobil. Njihov zaključek kaže, da izhlapevanje črnih lukenj ohranja enotnost kvantne mehanike (povezane z dosledno razlago verjetnosti), ki jo je pred tem podvomil britanski znanstvenik Stephen Hawking.
Polumarnost v vrednostih opazovanih temeljnih konstant, po Polčinskem, čeprav gre za resne težave v "teoriji vsega", lahko kljub temu razjasni nekatere univerzalne značilnosti narave (zlasti obstoj Multiverse). Znanstvenik je kot glavno lastnost, ki teoretično nakazuje obstoj vzporednih svetov, imenoval ne-nič vrednost kozmološke konstante (lambda izraz v Einsteinovih enačbah). Po mnenju znanstvenika velika večina teorij strun vključuje Multiverse. Ti modeli vsebujejo tudi necero kozmološko konstanto. Po Polčinskem torej ni mogoče, da drugo ne more obstajati. Poleg tega je fizik z uporabo Bayesovega sklepanja verjetnost obstoja Multiverse ocenil na 94 odstotkov (kar ustreza statističnemu pomenu dveh standardnih odstopanj).
"Morda se ne strinjate z mojo 94-odstotno oceno, vendar ni nobenega racionalnega argumenta, da multiverzal ne obstaja ali da je malo verjetno," piše Polčinski. Znanstvenik je optimističen glede možnosti oblikovanja kvantne gravitacije (v okviru teorije strun), še naprej deluje v tej smeri in ne izključuje, da bo gradnja "teorije vsega" končana pred načrtovanim načrtom - prej kot leto 2131, ki ga je napovedal.
Andrey Borisov