Siden 80'erne af forrige århundrede er der udviklet et paradigme til at beskrive, hvad der skete i begyndelsen af universet. Ved hjælp af et matematisk apparat kaldet loop quantum cosmology (en forenkling af loop quantum gravity) kan vi håbe på at beskrive, hvad der skete i universet meget længere end klassisk kvanteteori tillader - måske helt op til selve tidspunktet for Big Bang. Som sådan et universelt apparat, der forbinder kvantemekanik og relativitetsteorien, har loop-modellen sin hovedkonkurrent i form af strengteori. Denne teori har også betydning for det, vi ser nu. Ifølge dens resultater har alle moderne store strukturer i universet deres oprindelse i kvanteudsving i rum-tid, der fandt sted ved verdens fødsel. Særlige teorier om specifikke hændelser - for eksempel teorien om Big Bang - kan passe ind i denne teori, og ved hjælp af et nyt matematisk apparat og fremtidige forbedringer i observationsastronomiens muligheder kan vi forvente afklaring og verifikation af moderne teorier af kosmologi.
"Vi mennesker har altid stræbt efter at forstå så meget som muligt om universets struktur og udvikling," siger den første forfatter til udgivelsen af værket, Abay Ashtekar. "Så dette er en meget interessant tid for vores gruppe, fordi vi ved hjælp af vores nye model nu kan studere i detaljer, hvad der skete med materien og rumtidens geometri i de første øjeblikke af universet, og måske endda ved dets helt i begyndelsen." Ashtekar er direktør for universitetets Institute of Gravity and Space, og medforfattere til værket er Ivan Agullo og William Nelson.
Det nye paradigme giver et konceptuelt og matematisk apparat til at beskrive den eksotiske tilstand af rum-tid i begyndelsen af universet. Først og fremmest, ifølge den nye model, blev universet komprimeret til utrolige tætheder - omkring ti til fireoghalvfems potens af gram per kubikcentimeter. Ved sådanne tætheder blev universets opførsel naturligvis ikke beskrevet af klassisk fysik eller endda Einsteins generelle relativitetsteori. I stedet foreslås en ny fundamental teori, der inkluderer kvantemekanik. Under sådanne kvantemekaniske forhold, hvor vi kun kan tale om sandsynligheden for begivenheder, burde stoffets fysiske egenskaber være meget forskellige fra det, vi er vant til at møde i hverdagssituationer. Blandt de vigtigste forskelle er endda begrebet tid.
For moderne observationer er sådanne forhold ikke mindre utilgængelige end for hverdagsforståelse. Kun få astronomiske resultater kommer tæt på Universets fjerntliggende fødsel. CMB-stråling blev set for de tidspunkter, hvor verdens alder kun var 380 tusind år. På dette tidspunkt, efter inflationen - en periode med meget hurtig ekspansion - var universet blevet meget større end ved fødslen og var ikke længere et paradoksalt fænomen set fra et fysiksynspunkt. Men selv i begyndelsen af inflationen var universets tæthed milliarder af gange mindre end i de første øjeblikke, og dets adfærd blev ikke længere beskrevet af kvantemekanikken. Så al vores viden om de første øjeblikke af universet, hvor dets egenskaber var ekstreme, kommer fra observationer fra senere epoker, hvor dets egenskaber allerede var regelmæssige.
Observationer af CMB viser, at universet efter inflation grundlæggende er ensartet, med kun nogle regioner, der viser forvrængninger i CMB. Disse områder var enten mærkbart mere tætte eller mindre tætte før inflationen. "Det inflationære paradigme er en stor succes, fordi det forklarer den synlige struktur af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling. Men denne model er ikke komplet. Den antager, at universet begyndte at dukke op ud af ingenting efter Big Bang, hvilket egentlig kun forklares med standardtilgangens manglende evne til at forklare ekstreme kvantemekaniske forhold, siger Agullo. "En kvanteteori om tyngdekraft, såsom sløjfekvantekosmologi, er nødvendig for at gå ud over de grænser, som Einsteins teori pålægger, og beskrive de fysiske processer, der fandt sted ved universets fødsel." Tidligere arbejde af Ashtekars gruppe har allerede fremsat teorien om et modificeret Big Bang, hvor vores univers ikke opstod af ingenting, men fra ekstremt komprimeret stof, som kan have haft en form for historie før det.
Selvom de betingelser, som kvantemekanikken beskriver for universets fødsel, er slående forskellige fra de forhold, der beskrives af relativitetsteorien for tiden efter inflationen, er der en sammenhæng mellem modellerne, der beskriver disse to epoker. Ved hjælp af begge matematiske værktøjer var universitetspersonalet i stand til at vise, hvordan galaksehobe og alle de store strukturer, vi ser nu, voksede fra steder, der skilte sig ud mod den generelle baggrund af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling ved fluktuationer i stoftætheden. Hvad der er endnu mere interessant er, at det matematiske apparat af loop-kvantekosmologi gør det muligt at opnå selve egenskaberne ved den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling fra fluktuationer, der går tilbage til begyndelsen af universet. "Vores arbejde skubber grænsen for viden om, hvad der skete i universet, tilbage til Big Bang, og øger grænsen for stoftæthed, der kan opnås, med 11 størrelsesordener," siger Nelson. "Vi var i stand til at indsnævre omfanget af de indledende betingelser under eksplosionen og viste også, at disse indledende betingelser er i overensstemmelse med karakteristikaene for den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling." Den nye teori afviger i nogle dele fra standardantagelserne fra Big Bang og inflationsteorier, hvilket muliggør sammenligning mellem de to. Med det nuværende niveau af observationer er dette dog umuligt.
Oprindelseshistorie
Grundlæggerne af "loop quantum theory of gravity" i 80'erne af det 20. århundrede er Lee Smolin, Abey Ashtekar, Ted Jacobson og Carlo Rovelli. Ifølge denne teori består rum og tid af adskilte dele. Disse små kvanteceller i rummet er forbundet med hinanden på en bestemt måde, så de på små skalaer af tid og længde skaber en broget, diskret struktur af rummet, og på store skalaer omdannes de jævnt til kontinuerlig jævn rumtid.
Looptyngdekraft og partikelfysik
En af fordelene ved sløjfekvanteteorien om tyngdekraft er den naturlighed, hvormed den forklarer partikelfysikkens standardmodel.
I sit papir fra 2005 foreslog Sundance Bilson-Thompson en model (tilsyneladende baseret på M. Khovanovs mere generelle fletningsteori), hvor Harari-rishonerne blev omdannet til udvidede båndlignende objekter kaldet bånd. Potentielt kunne dette forklare årsagerne til selvorganiseringen af delkomponenter af elementarpartikler, hvilket førte til fremkomsten af en farveladning, mens i den tidligere preon (Rishon) model var grundelementerne punktpartikler, og farveladningen blev postuleret. Bilson-Thompson kalder sine forlængede bånd "gelons" og hans model for en gelon. Denne model fører til fortolkningen af elektrisk ladning som en topologisk enhed, der opstår, når bånd er snoet.
Det andet papir, udgivet af Bilson-Thompson i 2006 sammen med Fotini Markopolou og Lee Smolin, foreslog, at for enhver sløjfeteori om kvantetyngdekraft, hvor rumtiden er kvantificeret, kan ophidsede tilstande af rumtiden selv spille rollen som præoner, hvilket fører til fremkomsten af standardmodellen som en emergent egenskab ved teorien om kvantetyngdekraft.
Bilson-Thompson og hans medforfattere foreslog således, at teorien om løkkekvantetyngdekraften kunne reproducere Standardmodellen ved automatisk at forene alle fire grundlæggende kræfter. Samtidig var det, ved hjælp af præoner, præsenteret i form af brads (vævninger af fibrøst rum-tid), muligt at konstruere en succesfuld model af den første generation af fundamentale fermioner (kvarker og leptoner) med en mere eller mindre korrekt gengivelse af deres ladninger og pariteter.
Det originale Bilson-Thompson papir foreslog, at anden- og tredjegenerations fundamentale fermioner kunne repræsenteres som mere komplekse brads, og førstegenerations fermioner som de enklest mulige brads, selvom der ikke blev givet nogen specifikke repræsentationer af komplekse brads. Det antages, at de elektriske ladninger og farveladninger, såvel som pariteten af partikler, der tilhører generationer af højere rang, bør opnås på nøjagtig samme måde som for partikler af den første generation. Brugen af kvanteberegningsmetoder har gjort det muligt at vise, at partikler af denne art er stabile og ikke henfalder under påvirkning af kvanteudsving.
Båndstrukturer i Bilson-Thompson-modellen er repræsenteret som entiteter, der består af det samme stof som rumtiden selv. Selvom Bilson-Thompson-papirerne viser, hvordan fermioner og bosoner kan fremstilles ud fra disse strukturer, diskuterer de ikke, hvordan brading kunne bruges til at producere Higgs-bosonen.
L. Freidel, J. Kowalski-Glikman og A. Starodubtsev foreslog i deres papir fra 2006, at elementarpartikler kan repræsenteres ved hjælp af Wilson-linjer i et gravitationsfelt, hvilket antyder, at partiklernes egenskaber (deres masser, energier og spins) kan svare til egenskaberne af Wilson loops - de grundlæggende objekter i teorien om loop kvantetyngdekraft. Dette arbejde kan ses som yderligere teoretisk støtte til Bilson-Thompson preon-modellen.
Ved at bruge formalismen i spin-skummodellen, som er direkte relateret til teorien om sløjfekvantetyngdekraften, og kun baseret på de indledende principper for sidstnævnte, er det også muligt at reproducere nogle andre partikler af standardmodellen, såsom fotoner, gluoner og gravitoner - uanset Billson-Thompson Brad-skemaet for fermioner. Men fra 2006 har det endnu ikke været muligt at konstruere helon-modeller ved hjælp af denne formalisme. Helon-modellen indeholder ikke brads, der kunne bruges til at konstruere Higgs-bosonen, men i princippet afviser denne model ikke muligheden for, at denne boson eksisterer i form af en form for sammensat system. Bilson-Thompson bemærker, at da partikler med større masser generelt har en mere kompleks indre struktur (inklusive snoning af brads), kan denne struktur være relateret til massedannelsesmekanismen. For eksempel i Bilson-Thompson-modellen svarer strukturen af en foton med nul masse til ikke-snoede brads. Det er dog stadig uklart, om fotonmodellen opnået inden for spin-skumformalismen svarer til Bilson-Thompson-fotonen, som i hans model består af tre ikke-snoede bånd (det er muligt, at flere versioner af fotonmodellen kan konstrueres i spin-skummet formalisme).
Oprindeligt blev begrebet "preon" brugt til at udpege punktunderpartikler inkluderet i strukturen af halvspin-fermioner (leptoner og kvarker). Som allerede nævnt fører brugen af punktpartikler til masseparadokset. I Bilson-Thompson-modellen er bånd ikke "klassiske" punktstrukturer. Bilson-Thompson bruger udtrykket "preon" til at opretholde kontinuitet i terminologi, men med dette udtryk refererer til en bredere klasse af objekter, der er komponenter i strukturen af kvarker, leptoner og gauge bosoner.
Vigtigt for at forstå Bilson-Thompson-tilgangen er, at i dens preon-model er elementære partikler som elektronen beskrevet i form af bølgefunktioner. Summen af kvantetilstande af et spin-skum med kohærente faser er også beskrevet i form af en bølgefunktion. Det er derfor muligt, at man ved hjælp af spin-skumformalismen kan opnå bølgefunktioner svarende til elementarpartikler (fotoner og elektroner). I øjeblikket er det et meget aktivt forskningsområde at kombinere teorien om elementære partikler med teorien om loop-kvantetyngdekraft.
I oktober 2006 modificerede Bilson-Thompson sit papir og bemærkede, at selvom hans model var inspireret af preon-modeller, er det ikke preon i ordets strenge forstand, så topologiske diagrammer fra hans preon-model kan højst sandsynligt bruges i andre fundamentale teorier , såsom for eksempel M-teori. Teoretiske begrænsninger pålagt preon-modeller er ikke anvendelige for hans model, da egenskaberne af elementarpartikler i den ikke stammer fra underpartiklernes egenskaber, men fra disse underpartiklers forbindelser med hinanden (brads). En mulighed er for eksempel at "indlejre" præoner i M-teorien eller i teorien om sløjfekvantetyngdekraften.
Løkkekvantetyngdekraft - hvad er det? Det er dette spørgsmål, vi vil overveje i denne artikel. Til at begynde med vil vi definere dens karakteristika og faktuelle oplysninger, og derefter vil vi stifte bekendtskab med dens modstander - strengteori, som vi vil overveje i en generel form for forståelse og indbyrdes sammenhæng med sløjfekvantetyngdekraften.
Introduktion
En af teorierne, der beskriver kvantetyngdekraften, er et sæt data om looptyngdekraften på kvanteniveauet for universets organisation. Disse teorier er baseret på begrebet diskrethed af både tid og rum på Planck-skalaen. Gør det muligt at realisere hypotesen om et pulserende univers.
Lee Smolin, T. Jacobson, C. Rovelli og A. Ashtekar er grundlæggerne af teorien om sløjfekvantetyngdekraften. Dens dannelse begyndte i 80'erne. XX århundrede. I overensstemmelse med denne teoris udsagn er "ressourcer" - tid og rum - systemer af diskrete fragmenter. De beskrives som celler i kvantestørrelse, der holdes sammen på en særlig måde. Men når vi når store størrelser, observerer vi en udjævning af rum-tid, og det virker kontinuerligt for os.
Looptyngdekraft og universets partikler
Et af de mest slående "træk" ved teorien om sløjfekvantetyngdekraft er dens naturlige evne til at løse visse problemer inden for fysik. Det giver os mulighed for at forklare mange spørgsmål relateret til standardmodellen for elementær partikelfysik.
I 2005 blev der udgivet en artikel af S. Bilson-Thompson, som foreslog en model med en transformeret Rishon Harari, som tog form af et forlænget båndobjekt. Sidstnævnte kaldes et bånd. Det estimerede potentiale tyder på, at det kunne forklare årsagen til den uafhængige organisering af alle underkomponenter. Det er trods alt dette fænomen, der forårsager farveladningen. Den tidligere preon-model betragtede punktpartikler som sit grundlæggende element. Ladningen af farve kunne postuleres. Denne model giver os mulighed for at beskrive elektriske ladninger som en topologisk enhed, der kan opstå i tilfælde af båndsnoning.
Den anden artikel af disse medforfattere, udgivet i 2006, er et værk, hvori L. Smolin og F. Markopolou også deltog. Forskere har fremsat den antagelse, at alle teorier om kvantesløjfe-tyngdekraft, inkluderet i sløjfeklassen, siger, at rum og tid i dem er tilstande, der exciteres af kvantisering. Disse tilstande kan fungere som præoner, der giver anledning til den kendte standardmodel. Dette bestemmer til gengæld fremkomsten af teoriens egenskaber.
De fire videnskabsmænd foreslog også, at teorien om kvantesløjfe-tyngdekraften er i stand til at reproducere standardmodellen. Det forbinder automatisk de fire grundlæggende kræfter sammen. I denne form refererer begrebet "brad" (sammenflettet fibrøs rumtid) her til begrebet præoner. Det er brads, der gør det muligt at genskabe den korrekte model fra repræsentanter for den "første generation" af partikler, som er baseret på fermioner (kvarker og leptoner) med overvejende korrekte metoder til at genskabe ladningen og pariteten af selve fermionerne.
Bilson-Thompson antog, at fermioner fra den grundlæggende "serie" af 2. og 3. generation kan repræsenteres i form af de samme brads, men med en mere kompleks struktur. Fermioner af 1. generation er her repræsenteret af de enkleste brads. Det er dog vigtigt at vide her, at specifikke ideer om kompleksiteten af deres struktur endnu ikke er blevet fremsat. Det antages, at ladninger af farve og elektriske typer, såvel som "status" for paritet af partikler i den første generation, dannes på nøjagtig samme måde som i de andre. Efter at disse partikler blev opdaget, blev der udført mange eksperimenter for at skabe effekter på dem ved kvanteudsving. De endelige resultater af eksperimenterne viste, at disse partikler er stabile og ikke går i opløsning.
Båndstruktur
Da vi her overvejer information om teorier uden at bruge beregninger, kan vi sige, at dette er sløjfekvantetyngdekraft "for dummies." Og det kan ikke undvære at beskrive båndstrukturerne.
Entiteter, hvor stof er repræsenteret af det samme "stof" som rumtid, er en generel beskrivende repræsentation af den model, som Bilson-Thompson præsenterede for os. Disse entiteter er båndstrukturerne af en given beskrivende karakteristik. Denne model viser os, hvordan fermioner produceres, og hvordan bosoner dannes. Det besvarer dog ikke spørgsmålet om, hvordan Higgs-bosonen kan opnås ved hjælp af branding.
L. Freidel, J. Kowalski-Glickman og A. Starodubtsev i 2006 foreslog i en artikel, at Wilson-linjer af gravitationsfelter kan beskrive elementarpartikler. Dette indebærer, at de egenskaber, som partiklerne besidder, er i stand til at svare til de kvalitative parametre for Wilson-løkker. Sidstnævnte er til gengæld det grundlæggende objekt for sløjfekvantetyngdekraften. Disse undersøgelser og beregninger betragtes også som et yderligere grundlag for teoretisk støtte til beskrivelse af Bilson-Thompson modellen.
Ved at bruge formalismen i spin-skummodellen, som er direkte relateret til teorien studeret og analyseret i denne artikel (T.P.K.G.), samt at basere den på det oprindelige sæt principper i denne teori om kvantesløjfe-tyngdekraft, gør det muligt at reproducere nogle partikler af standardmodellen, som de ikke kunne få før. Disse var fotoniske partikler, også gluoner og gravitoner.
Der er også en model af geloner, hvor brads ikke betragtes på grund af deres fravær som sådan. Men selve modellen giver ikke en præcis måde at benægte deres eksistens på. Dens fordel er, at vi kan beskrive Higgs-bosonen som en slags sammensat system. Dette forklares ved tilstedeværelsen af mere komplekse interne strukturer i partikler med en stor masse. I betragtning af drejningen af brads, har vi ret til at antage, at denne struktur kan relatere til mekanismen for masseskabelse. For eksempel svarer formen af Bilson-Thompson-modellen, der beskriver fotonen som en partikel med nul masse, til tilstanden af brad i en ikke-snoet tilstand.
Forstå Billson-Thompson-tilgangen
I forelæsninger om kvantesløjfe-tyngdekraft, når de beskriver en bedre tilgang til at forstå Bilson-Thompson-modellen, nævner de, at denne beskrivelse af preon-modellen af elementarpartikler gør det muligt at karakterisere elektroner som funktioner af bølgenatur. Faktum er, at det samlede antal kvantetilstande, som spin-skum med sammenhængende faser besidder, også kan beskrives ved hjælp af begreberne. I øjeblikket er der aktivt arbejde i gang med det formål at forene teorien om elementarpartikler og T.P.K.G.
Blandt bøgerne om loop-kvantetyngdekraft kan du finde en masse information, for eksempel i O. Feirins værker om paradokserne i kvanteverdenen. Blandt andre værker er det værd at være opmærksom på Lee Smolins artikler.
Problemer
Det modificerede Bilson-Thompson papir anerkender, at massespektret af partikler er et uløst problem, som hans model ikke kan beskrive. Det løser heller ikke problemer relateret til spins, Cabibbo-blanding. Det kræver en forbindelse til en mere fundamental teori. Senere versioner af artiklen tyr til at beskrive dynamikken i brads ved hjælp af Puchner-overgangen.
Der er en konstant konfrontation i fysikkens verden: strengteori vs teorien om sløjfekvantetyngdekraft. Det er to grundlæggende værker, som mange berømte videnskabsmænd rundt om i verden har arbejdet og arbejder på.
Strengteori
Når man taler om teorien om kvantesløjfe-tyngdekraft og strengteori, er det vigtigt at forstå, at det er to helt forskellige måder at forstå strukturen af stof og energi i Universet.
Strengteori er den fysiske videnskabs "evolutionsvej", som forsøger at studere dynamikken i gensidige handlinger ikke mellem punktpartikler, men mellem kvantestrenge. Teoriens materiale kombinerer ideen om mekanik i kvanteverdenen og relativitetsteorien. Dette vil sandsynligvis hjælpe mennesker med at opbygge en fremtidig teori om kvantetyngdekraft. Det er netop på grund af studieobjektets form, at denne teori forsøger at beskrive universets grundlag på en anden måde.
I modsætning til teorien om kvantesløjfe-tyngdekraft er strengteori og dens grundlag baseret på hypotetiske data, der tyder på, at enhver elementær partikel og alle dens vekselvirkninger af fundamental karakter er en konsekvens af vibrationer af kvantestrenge. Disse "elementer" i universet har ultramikroskopiske dimensioner og er på skalaer af størrelsesordenen Planck-længden lig med 10 -35 m.
Dataene i denne teori er matematisk meningsfulde ganske nøjagtigt, men den har endnu ikke været i stand til at finde en egentlig bekræftelse inden for eksperimenter. Strengteori er forbundet med multivers, som er fortolkningen af information i et uendeligt antal verdener med en anden type og form for udvikling af absolut alt.
Grundlaget
Løkkekvantetyngdekraft eller Dette er et ret vigtigt spørgsmål, der er svært, men som skal forstås. Dette er især vigtigt for fysikere. For bedre at forstå strengteori, vil det være vigtigt at vide et par ting.
Strengteori kunne give os en beskrivelse af overgangen og alle træk ved hver fundamental partikel, men dette er kun muligt, hvis vi også kunne ekstrapolere strenge til fysikkens lavenergiregion. I et sådant tilfælde ville alle disse partikler tage form af begrænsninger på excitationsspektret i en ikke-lokal endimensionel linse, som der er et uendeligt antal af. Den karakteristiske dimension af strengene er en ekstrem lille værdi (ca. 10 -33 m). På grund af dette er en person ikke i stand til at observere dem under eksperimenter. En analog af dette fænomen er strengvibrationen af musikinstrumenter. De spektrale data, der "danner" strengen, kan kun være mulige for en bestemt frekvens. Når frekvensen stiger, stiger energien (akkumuleret fra vibrationer). Hvis vi anvender formlen E = mc 2 på dette udsagn, så kan vi lave en beskrivelse af det stof, der udgør universet. Teorien postulerer, at de partikelmassedimensioner, der manifesterer sig som en vibrerende streng, er observerbare i den virkelige verden.
Strengefysik lader spørgsmålet om dimensionerne af rum-tid stå åbent. Fraværet af yderligere rumlige dimensioner i den makroskopiske verden forklares på to måder:
- Kompaktering af dimensioner, der er snoet til størrelser, hvor de vil svare til rækkefølgen af Planck-længden;
- Lokalisering af hele antallet af partikler, der danner det multidimensionelle univers, på et firedimensionelt "ark af verden", som beskrives som et multivers.
Kvantisering
Denne artikel dækker begrebet loop quantum gravity theory for dummies. Dette emne er ekstremt svært at forstå på et matematisk niveau. Her betragter vi et generelt synspunkt baseret på en deskriptiv tilgang. Desuden i forhold til to "modsatrettede" teorier.
For at forstå strengteori bedre er det også vigtigt at vide om eksistensen af den primære og sekundære kvantiseringstilgang.
Sekundær kvantisering er baseret på strengfeltkoncepter, nemlig en loop space funktionel, som ligner kvantefeltteori. Formalismerne i den primære tilgang skaber en beskrivelse af bevægelsen af teststrenge i deres ydre felter ved hjælp af matematiske teknikker. Dette påvirker ikke interaktionen mellem strenge negativt, og inkluderer også fænomenet strengeforfald og forening. Den primære tilgang er en forbindelse mellem strengteorier og udsagn om almindelig feltteori på verdensoverfladen.
Supersymmetri
Det vigtigste og mest nødvendige såvel som realistiske "element" i strengteori er supersymmetri. Det generelle sæt af partikler og interaktioner mellem dem, som observeres ved relativt lave energier, er i stand til at reproducere den strukturelle sammensætning af standardmodellen i næsten hele dens form. Mange egenskaber ved standardmodellen får elegante forklaringer i form af superstrengteori, hvilket også er et vigtigt argument for teorien. Der er dog endnu ingen principper, der kan forklare denne eller hin begrænsning af strengteorier. Disse postulater skulle give os mulighed for at opnå en form for verden, der ligner standardmodellen.
Ejendomme
De vigtigste egenskaber ved strengteori er følgende:
- De principper, der bestemmer universets struktur, er tyngdekraften og kvanteverdenens mekanik. De er komponenter, der ikke kan adskilles, når man laver en generel teori. Strengteori implementerer denne antagelse.
- Studier af mange udviklede begreber fra det tyvende århundrede, som giver os mulighed for at forstå verdens grundlæggende struktur med alle deres mange operationelle principper og forklaringer, er kombineret og følger af strengteori.
- Strengteori har ikke frie parametre, der skal justeres for at sikre overensstemmelse, som det fx kræves i standardmodellen.
Endelig
Enkelt sagt er kvantesløjfe-tyngdekraften en af måderne at opfatte virkeligheden på, som forsøger at beskrive verdens grundlæggende struktur på niveau med elementarpartikler. Det giver dig mulighed for at løse mange problemer i fysik, der påvirker organiseringen af stof, og er også en af de førende teorier i hele verden. Dens vigtigste modstander er strengteori, hvilket er ret logisk i betragtning af sidstnævntes mange sande udsagn. Begge teorier er bekræftet inden for forskellige områder af elementær partikelforskning, og forsøg på at forene "kvanteverdenen" og tyngdekraften fortsætter den dag i dag.
Teoretisk fysiker Sabine Hossenfelder fra Stockholm anså to alternative kandidater til en "teori om alting" (strengteori og sløjfekvantetyngdekraft) for at være sider af samme mønt. Efter hendes mening har sløjfekvantetyngdekraften nu gjort store fremskridt. Videnskabsmanden talte om dette på siderne af onlinepublikationen Quanta Magazine.
Strengteori
Strengteori er en gren af teoretisk fysik, der studerer dynamikken i interaktion ikke af punktpartikler, men af endimensionelle udvidede objekter, de såkaldte kvantestrenge. Strengteori kombinerer kvantemekanikkens ideer og relativitetsteorien, så en fremtidig teori om kvantetyngdekraften kan bygges på dens grundlag.
Strengteori er baseret på hypotesen om, at alle elementarpartikler og deres grundlæggende vekselvirkninger opstår som et resultat af svingninger og vekselvirkninger af ultramikroskopiske kvantestrenge på skalaer i størrelsesordenen Planck-længden på 10?35 m. Denne tilgang på den ene side. undgår sådanne vanskeligheder ved kvantefeltteori, som renormalisering, og på den anden side fører til et dybere blik på strukturen af stof og rum-tid. Kvantestrengteori opstod i begyndelsen af 1970'erne som et resultat af forståelsen af Gabriele Venezianos formler forbundet med strengmodeller af strukturen af hadroner. Midten af 1980'erne og midten af 1990'erne var præget af strengteoriens hurtige udvikling, og man forventede, at den såkaldte "forenede teori" eller "teori om alting" i den nærmeste fremtid på baggrund af strengteori; formuleret, den søgen, som Einstein brugte årtier uden held. Men på trods af teoriens matematiske stringens og integritet, er der endnu ikke fundet muligheder for eksperimentel bekræftelse af strengteori. Efter at være opstået for at beskrive hadronfysik, men ikke helt egnet til dette, befandt teorien sig i et slags eksperimentelt vakuum til at beskrive alle interaktioner.
Et af hovedproblemerne, når man forsøger at beskrive proceduren for reduktion af strengteorier fra dimension 26 eller 10 til lavenergifysik af dimension 4, er det store antal muligheder for komprimering af ekstra dimensioner til Calabi-Yau manifolder og orbifolder, som sandsynligvis er særlige begrænsende tilfælde af Calabi-Yau-rum. Det store antal mulige løsninger siden slutningen af 1970'erne og begyndelsen af 1980'erne har skabt det, der er kendt som "landskabsproblemet", hvilket får nogle videnskabsmænd til at stille spørgsmålstegn ved, om strengteori fortjener videnskabelig status.
På trods af disse vanskeligheder stimulerede udviklingen af strengteori udviklingen af matematiske formalismer, hovedsageligt algebraisk og differentialgeometri, topologi, og gjorde det også muligt bedre at forstå strukturen af tidligere teorier om kvantetyngdekraft. Udviklingen af strengteori fortsætter, og det er håbet, at de manglende elementer af strengteorier og tilsvarende fænomener vil blive fundet i den nærmeste fremtid, blandt andet som et resultat af forsøg på Large Hadron Collider.
Løkkekvantetyngdekraftsteori
Loop quantum gravity er en af teorierne om kvante gravitation.
I teorien om kvantetyngdekraften viser det glatte og kontinuerlige rum, vi er bekendt med på ultra-små skalaer, sig at være en struktur med en meget kompleks geometri.
En af fordelene ved sløjfekvanteteorien om tyngdekraft er den naturlighed, hvormed den forklarer partikelfysikkens standardmodel.
I sit papir fra 2005 foreslog Sundance Bilson-Thompson en model (tilsyneladende baseret på M. Khovanovs mere generelle teori om fletninger), hvor Harari-rishonerne blev transformeret til udvidede båndformede objekter kaldet bånd. Potentielt kunne dette forklare årsagerne til selvorganiseringen af delkomponenter af elementarpartikler, hvilket førte til fremkomsten af en farveladning, mens i den tidligere preon (Rishon) model var grundelementerne punktpartikler, og farveladningen blev postuleret. Bilson-Thompson kalder sine forlængede bånd "gelons" og hans model for en gelon. Denne model fører til fortolkningen af elektrisk ladning som en topologisk enhed, der opstår, når bånd er snoet.
Det andet papir, udgivet af Bilson-Thompson i 2006 sammen med Fotini Markopolou og Lee Smolin, foreslog, at for enhver sløjfeteori om kvantetyngdekraft, hvor rumtiden er kvantificeret, kan ophidsede tilstande af rumtiden selv spille rollen som præoner, hvilket fører til fremkomsten af standardmodellen som en emergent egenskab ved teorien om kvantetyngdekraft.
Bilson-Thompson og hans medforfattere foreslog således, at teorien om løkkekvantetyngdekraften kunne reproducere Standardmodellen ved automatisk at forene alle fire grundlæggende kræfter. Samtidig var det, ved hjælp af præoner, præsenteret i form af brads (vævninger af fibrøst rum-tid), muligt at konstruere en succesfuld model af den første generation af fundamentale fermioner (kvarker og leptoner) med en mere eller mindre korrekt gengivelse af deres ladninger og pariteter.
Det originale Bilson-Thompson papir foreslog, at anden- og tredjegenerations fundamentale fermioner kunne repræsenteres som mere komplekse brads, og førstegenerations fermioner som de enklest mulige brads, selvom der ikke blev givet nogen specifikke repræsentationer af komplekse brads. Det antages, at de elektriske ladninger og farveladninger, såvel som pariteten af partikler, der tilhører generationer af højere rang, bør opnås på nøjagtig samme måde som for partikler af den første generation. Brugen af kvanteberegningsmetoder har gjort det muligt at vise, at partikler af denne art er stabile og ikke henfalder under påvirkning af kvanteudsving.
Båndstrukturer i Bilson-Thompson-modellen er repræsenteret som entiteter, der består af det samme stof som rumtiden selv. Selvom Bilson-Thompson-papirerne viser, hvordan fermioner og bosoner kan fremstilles ud fra disse strukturer, diskuterer de ikke, hvordan brading kunne bruges til at producere Higgs-bosonen.
L. Freidel, J. Kowalski-Glikman og A. Starodubtsev foreslog i deres papir fra 2006, at elementarpartikler kan repræsenteres ved hjælp af Wilson-linjer i et gravitationsfelt, hvilket antyder, at partiklernes egenskaber (deres masser, energier og spins) kan svare til egenskaberne af Wilson loops - de grundlæggende objekter i teorien om loop kvantetyngdekraft. Dette arbejde kan ses som yderligere teoretisk støtte til Bilson-Thompson preon-modellen.
Ved at bruge formalismen i spin-skummodellen, som er direkte relateret til teorien om sløjfekvantetyngdekraften, og kun baseret på de indledende principper for sidstnævnte, er det også muligt at reproducere nogle andre partikler af standardmodellen, såsom fotoner, gluoner og gravitoner - uanset Billson-Thompson Brad-skemaet for fermioner. Men fra 2006 har det endnu ikke været muligt at konstruere helon-modeller ved hjælp af denne formalisme. Helon-modellen indeholder ikke brads, der kunne bruges til at konstruere Higgs-bosonen, men i princippet afviser denne model ikke muligheden for, at denne boson eksisterer i form af en form for sammensat system. Bilson-Thompson bemærker, at da partikler med større masser generelt har en mere kompleks indre struktur (inklusive snoning af brads), kan denne struktur være relateret til massedannelsesmekanismen. For eksempel i Bilson-Thompson-modellen svarer strukturen af en foton med nul masse til ikke-snoede brads. Det er dog stadig uklart, om fotonmodellen opnået inden for spin-skumformalismen svarer til Bilson-Thompson-fotonen, som i hans model består af tre ikke-snoede bånd (det er muligt, at flere versioner af fotonmodellen kan konstrueres i spin-skummet formalisme).
Oprindeligt blev begrebet "preon" brugt til at udpege punktunderpartikler inkluderet i strukturen af halvspin-fermioner (leptoner og kvarker). Som allerede nævnt fører brugen af punktpartikler til masseparadokset. I Bilson-Thompson-modellen er bånd ikke "klassiske" punktstrukturer. Bilson-Thompson bruger udtrykket "preon" til at opretholde kontinuitet i terminologi, men med dette udtryk refererer til en bredere klasse af objekter, der er komponenter i strukturen af kvarker, leptoner og gauge bosoner.
Vigtigt for at forstå Bilson-Thompson-tilgangen er, at i dens preon-model er elementære partikler som elektronen beskrevet i form af bølgefunktioner. Summen af kvantetilstande af et spin-skum med kohærente faser er også beskrevet i form af en bølgefunktion. Det er derfor muligt, at man ved hjælp af spin-skumformalismen kan opnå bølgefunktioner svarende til elementarpartikler (fotoner og elektroner). I øjeblikket er det et meget aktivt forskningsområde at kombinere teorien om elementære partikler med teorien om loop-kvantetyngdekraft.
I oktober 2006 modificerede Bilson-Thompson sit papir og bemærkede, at selvom hans model var inspireret af preon-modeller, er det ikke preon i ordets strenge forstand, så topologiske diagrammer fra hans preon-model kan højst sandsynligt bruges i andre fundamentale teorier , såsom M-teori. Teoretiske begrænsninger pålagt preon-modeller er ikke anvendelige for hans model, da egenskaberne af elementarpartikler i den ikke stammer fra underpartiklernes egenskaber, men fra disse underpartiklers forbindelser med hinanden (brads). En mulighed er for eksempel at "indlejre" præoner i M-teorien eller i teorien om sløjfekvantetyngdekraften.
Som Hossenfelder rapporterer, involverer udvidelser af sløjfekvantetyngdekraft i højere dimensioner, ligesom strengteori, supersymmetri. For at sløjfekvantetyngdekraften skal være i overensstemmelse med speciel relativitet, kræver førstnævnte, som Rodolfo Gambini fra Uruguay mener, introduktionen af interaktioner svarende til dem i strengteori.
Herman Verlinde fra Princeton University mener, at sløjfekvantetyngdekraften kan hjælpe med at gøre fremskridt med at forstå ideen om AdS/CFT-korrespondancen (anti-de Sitter/konform feltteori-korrespondance) mellem konform feltteori og tyngdekraft. I sit seneste arbejde, rapporterer Hossenfelder, brugte fysikeren sløjfekvantetyngdemetoder til at beskrive tredimensionel rumtid (hvor to koordinater er rumlige og en er tid).
I øjeblikket arbejder flere tusinde teoretiske fysikere på strengteori. Over loop-kvantetyngdekraften er der hundredvis af gange færre specialister. De fleste strengteoretikere tager ikke sløjfekvantetyngdekraft alvorligt. Strengteori er baseret på antagelsen om, at der på Planck-skalaer findes hypotetiske endimensionelle objekter - strenge, hvis excitationer fortolkes som elementarpartikler og deres interaktioner.
Denne teori er en konsekvent udvikling af kvantefeltteorien, som i øjeblikket er det matematiske apparat for moderne partikelfysik - Standardmodellen. I modsætning til strengteori antager sløjfekvantetyngdekraften eksistensen af et diskret rumtidsgitter dannet af kvanteceller. Dynamikken i disse celler bestemmer strukturen af rum-tid.
Vi inviterer dig til at se debatten mellem fysikere, der forsvarer en teori modsat deres specialisering:
Hvis du finder en fejl, skal du markere et stykke tekst og klikke Ctrl+Enter.
Visninger: 227
Encyklopædisk YouTube
-
1 / 5
Grundlæggerne af "loop quantum theory of gravity" i 80'erne af det 20. århundrede er Lee Smolin, Abey Ashtekar, Ted Jacobson (Engelsk) Og Carlo Rovelli [fjern skabelon] . Ifølge denne teori består rum og tid af adskilte dele. Disse små kvanteceller i rummet er forbundet med hinanden på en bestemt måde, så de på små skalaer af tid og længde skaber en broget, diskret struktur af rummet, og på store skalaer omdannes de jævnt til kontinuerlig jævn rumtid.
Looptyngdekraft og partikelfysik
En af fordelene ved sløjfekvanteteorien om tyngdekraft er den naturlighed, hvormed den forklarer partikelfysikkens standardmodel.
Bilson-Thompson og hans medforfattere foreslog således, at teorien om sløjfekvantetyngdekraften kunne reproducere standardmodellen ved automatisk at forene alle fire grundlæggende interaktioner. Samtidig var det, ved hjælp af præoner, præsenteret i form af brads (vævninger af fibrøst rum-tid), muligt at konstruere en succesfuld model af den første generation af fundamentale fermioner (kvarker og leptoner) med en mere eller mindre korrekt gengivelse af deres ladninger og pariteter.
Det originale Bilson-Thompson papir foreslog, at anden- og tredjegenerations fundamentale fermioner kunne repræsenteres som mere komplekse brads, og førstegenerations fermioner som de enklest mulige brads, selvom der ikke blev givet nogen specifikke repræsentationer af komplekse brads. Det antages, at de elektriske ladninger og farveladninger, såvel som pariteten af partikler, der tilhører generationer af højere rang, bør opnås på nøjagtig samme måde som for partikler af den første generation. Brugen af kvanteberegningsmetoder har gjort det muligt at vise, at partikler af denne art er stabile og ikke henfalder under påvirkning af kvanteudsving.
Båndstrukturer i Bilson-Thompson-modellen er repræsenteret som entiteter, der består af det samme stof som rumtiden selv. Selvom Bilson-Thompson-papirerne viser, hvordan fermioner og bosoner kan opnås fra disse strukturer, er spørgsmålet om, hvordan Higgs-bosonen kunne opnås ved brug af brading, ikke diskuteret i dem.
L. Freidel ( L. Freidel), J. Kowalski-Glickman ( J. Kowalski-Glikman) og A. Starodubtsev i deres papir fra 2006 foreslog, at elementarpartikler kan repræsenteres ved hjælp af Wilson-linjer i et gravitationsfelt, hvilket antyder, at partiklernes egenskaber (deres masse, energi og spin) kan svare til egenskaberne af Wilson-løkker - de grundlæggende objekter af teorien om sløjfekvantetyngdekraften. Dette arbejde kan ses som yderligere teoretisk støtte til Bilson-Thompson preon-modellen.
Bruger modellen formalisme spin skum, som er direkte relateret til teorien om sløjfekvantetyngdekraften, og kun baseret på de indledende principper for sidstnævnte, er det også muligt at reproducere nogle andre partikler af Standardmodellen, såsom fotoner, gluoner og gravitoner - uanset Bradson -Thompson-skema for fermioner. Men fra 2006 har det endnu ikke været muligt at konstruere helon-modeller ved hjælp af denne formalisme. Helon-modellen indeholder ikke brads, der kunne bruges til at konstruere Higgs-bosonen, men i princippet afviser denne model ikke muligheden for, at denne boson eksisterer i form af en form for sammensat system. Bilson-Thompson bemærker, at da partikler med større masser generelt har en mere kompleks indre struktur (inklusive snoning af brads), kan denne struktur være relateret til massedannelsesmekanismen. For eksempel i Bilson-Thompson-modellen svarer strukturen af en foton med nul masse til ikke-snoede brads. Sandt nok er det stadig uklart, om fotonmodellen opnået inden for spin-skumformalismen svarer til Bilson-Thompson-fotonen, som i hans model består af tre ikke-snoede bånd (det er muligt, at flere versioner af fotonmodellen kan konstrueres inden for spin-skummet formalisme).
Oprindeligt blev begrebet "preon" brugt til at udpege punktunderpartikler inkluderet i strukturen af halvspin-fermioner (leptoner og kvarker). Som allerede nævnt fører brugen af punktpartikler til masseparadokset. I Bilson-Thompson-modellen er bånd ikke "klassiske" punktstrukturer. Bilson-Thompson bruger udtrykket "preon" til at opretholde kontinuitet i terminologi, men med dette udtryk refererer til en bredere klasse af objekter, der er komponenter i strukturen af kvarker, leptoner og gauge bosoner.
Vigtigt for at forstå Bilson-Thompson-tilgangen er, at i dens preon-model er elementære partikler som elektronen beskrevet i form af bølgefunktioner. Summen af kvantetilstande af et spin-skum med kohærente faser er også beskrevet i form af en bølgefunktion. Det er derfor muligt, at man ved hjælp af spin-skumformalismen kan opnå bølgefunktioner svarende til elementarpartikler (fotoner og elektroner). I øjeblikket er det et meget aktivt forskningsområde at kombinere teorien om elementære partikler med teorien om loop-kvantetyngdekraft.
I oktober 2006 modificerede Bilson-Thompson sit papir og bemærkede, at selvom hans model var inspireret af preon-modeller, er det ikke preon i ordets strenge forstand, så topologiske diagrammer fra hans preon-model kan højst sandsynligt bruges i andre fundamentale teorier , såsom for eksempel M-teori. Teoretiske begrænsninger pålagt preon-modeller er ikke anvendelige for hans model, da egenskaberne af elementarpartikler i den ikke stammer fra underpartiklernes egenskaber, men fra disse underpartiklers forbindelser med hinanden (brads). En mulighed er for eksempel at "indlejre" præoner i M-teorien eller i teorien om sløjfekvantetyngdekraften.
Sabine Hossenfelder foreslog at overveje to alternative kandidater til en "teori om alt" - strengteori og sløjfekvantetyngdekraft - som sider af samme mønt. For at sikre, at sløjfekvantetyngdekraften ikke modsiger den særlige relativitetsteori, er det nødvendigt at introducere interaktioner, der ligner dem, der betragtes i strengteori. .
Teoriproblemer
I en modificeret version af sit papir indrømmer Bilson-Thompson, at uløste problemer i hans model forbliver partikelmassespektret, spins, Cabibbo-blanding og behovet for at forbinde hans model med mere fundamentale teorier.
En senere version af artiklen beskriver dynamikken i brads ved hjælp af Pachner-bevægelser.