Theoretisch fysicus Joseph Polchinsky van de Universiteit van Californië in Santa Barbara voorspelde het jaar van voltooiing van de creatie van de kwantumtheorie van de zwaartekracht. Volgens de wetenschapper zal dit gebeuren in 2131, en het zal gebaseerd zijn op de snaartheorie, die de overgrote meerderheid van moderne natuurkundigen en wiskundigen erkennen als de enige kandidaat voor de rol van 'theorie van alles'. Polchinsky, een laureaat van de Fundamental Physics Prize, ingesteld door de Russische ondernemer Yuri Milner, zette zijn overwegingen uiteen in een voordruk op de website arXiv.org.
In het ontwikkelingsproces onderzocht de natuurkunde steeds kleinere schalen van afstanden en steeds grotere schalen van energieën. Aan het begin van de 20e eeuw ontvingen wetenschappers hun eerste ideeën over verschijnselen die op atomaire schaal plaatsvinden. Inmiddels hebben natuurkundigen toegang tot schalen van tien tot de minus zeventiende macht van centimeters, wat overeenkomt met experimenten bij de Large Hadron Collider, die het mogelijk maakten om het Higgs-deeltje te ontdekken. Door de stadia en ontwikkelingssnelheden van de fysica in de twintigste en vroege twintigste eeuw te vergelijken, voorspelde Polchinsky dat tegen 2131 de kwantumtheorie van de zwaartekracht eindelijk zou zijn geformuleerd. Hiervoor onderzocht de wetenschapper de evolutie van de fysica in de afgelopen honderd jaar en vergeleek de prestaties van de mensheid op bepaalde energieschalen met de tijd van deze gebeurtenis.
In 1899 introduceerde de Duitse natuurkundige Max Planck de naar hem genoemde lengte, samengesteld uit fundamentele constanten (de constante van Planck, gravitatieconstante en de lichtsnelheid in een vacuüm) en gelijk aan tien tot min drieëndertigste machten van centimeters. Momenteel wordt deze waarde beschouwd als een onbereikbare schaal voor moderne experimenten waarop de snaartheorie werkt. De schaal van tien centimeter tot de min zeventiende macht van centimeters op een logaritmische schaal komt overeen met het midden van de afstand. Dienovereenkomstig resteert er voor de creatie van de "theorie van alles" evenveel tijd als er 116 jaar zijn verstreken sinds de introductie van de Planck-lengte in de wetenschap.
Lengteschaal.
De geringe lengte van de Planck maakt het volgens Polchinsky mogelijk om de noodzakelijke "uitsmeer" van interacties te verschaffen, hetgeen de niet-renormaliseerbaarheid (onmogelijkheid om divergenties te elimineren) van de zwaartekrachttheorie verklaart. De SM en de drie fundamentele interacties die erdoor worden beschreven (elektromagnetisch, zwak en sterk) zijn dus renormaliseerbaar, terwijl de versie van kwantumzwaartekracht verkregen door naïeve kwantisering (dat wil zeggen volgens hetzelfde recept als de klassieke veldentheorie) al in de tweede orde van de storingstheorie blijkt te zijn. uiteenlopend.
Volgens Polchinsky worden op de schaal van Planck de ruimte-tijdschommelingen significant. Ze vormen het zogenaamde ruimte-tijdschuim en zorgen voor de waargenomen divergentie van de naïeve versie van kwantumzwaartekracht. Als historisch voorbeeld noemt de wetenschapper de theorie van Enrico Fermi, die de zwakke interactie kwalitatief goed beschreef, maar niet renormaliseerbaar was.
Pas nadat Steven Weinberg, Sheldon Glashow en Abdus Salam een renormaliseerbare elektrozwakke theorie ontwikkelden die elektromagnetische en zwakke interacties combineert en tussenliggende elektrozwakke bosonen introduceert, werd duidelijk dat de theorie van Fermi een lage-energiebenadering is van een ander, algemener model (in dit geval het elektrozwakke) … Polchinsky gelooft dat hetzelfde zal gebeuren met kwantumzwaartekracht.
Joseph Polchinsky.
Promotie video:
Polchinsky verbindt het unieke karakter van de dynamiek van de snaartheorie met de aanwezigheid van slechts één parameter die nodig is om de natuur te beschrijven - de zogenaamde snaarconstante. Ondertussen heeft de "theorie van alles" volgens de wetenschapper op dit moment geen uniform principe (eerste principe) waardoor het op een deductieve manier kan worden afgeleid. Voor de algemene relativiteitstheorie is er zo'n element: het principe van lokale equivalentie tussen het zwaartekrachtveld en beweging met versnelling. Het klassieke voorbeeld van dit begin is in de lift. Met zijn gelijkmatig versnelde opwaartse beweging ten opzichte van de aarde, kan de waarnemer erin niet bepalen of het zich in een sterker zwaartekrachtveld bevindt of beweegt in een door de mens gemaakt object.
In zijn artikel noemt Polchinsky het belang van kwantumfluctuaties voor het oplossen van snaartheorievergelijkingen. Ondanks het feit dat de moderne vergelijkingen van de kwantumveldentheorie en de algemene relativiteitstheorie de waargenomen wereld goed beschrijven op de beschikbare experimentele schalen, kunnen ze worden gewijzigd die niet in tegenspraak zijn met de eerste principes van deze theorieën. Ondertussen leidt dit tot effecten die tot nu toe niet zijn waargenomen, die significant zijn op de Planck-schaal.
Polchinsky verwijst naar dergelijke modificaties als de introductie van termen met hogere afgeleiden in de vergelijkingen van de kwantumveldentheorie (momenteel zijn er alleen kwadratische termen met de eerste afgeleiden van de velden) en de toevoeging van termen kwadratisch in de kromming van ruimte-tijd aan de Einstein-vergelijkingen in GR. Deze toevoegingen hebben geleid tot de noodzaak om rekening te houden met de fluctuaties van het ruimte-tijdschuim dat volgens de voorspellingen van de snaartheorie op de Planck-schaal bestaat.
Quantum schuim.
Polchinsky legt de rol van ruimte voor snaartheorie uit aan de hand van het voorbeeld van spiegelsymmetrie, die het bestaan van verschillende variëteiten van Eugenio Calabi en Shintana Yau mogelijk maakt, die, wanneer ze worden verdicht (opgevouwen tot extreem kleine extra ruimtelijke dimensies) vanuit verschillende ruimtes, kunnen leiden tot dezelfde eigenschappen van elementaire deeltjes. … Dit (samen met het potentieel voor het bestaan van extra ruimtelijke dimensies) suggereert dat de waargenomen fysica een manifestatie is van de multidimensionale geometrie van ruimte-tijd en zijn structuur op de schaal van Planck.
De dualiteit van ijktheorieën en kwantumzwaartekracht, opgevat als holografie, zal het volgens Polchinsky mogelijk maken om deeltjesfysica en zwaartekracht op een uniforme manier te beschrijven. Het holografische principe, in 1993 voorgesteld door de Nederlandse natuurkundige Gerard t'Hooft, beweert dat de informatie op de buitengrens (bundel) voldoende is voor een wiskundige beschrijving van een wereld: in dit geval kan een idee van een object met een hogere dimensie worden verkregen uit hologrammen, met een lagere dimensie.
Zoals toegepast op de snaartheorie, werd het principe belichaamd in het idee van de AdS / CFT-correspondentie, waarop in 1998 werd gewezen door de Amerikaanse theoretisch fysicus van Argentijnse afkomst Juan Maldacena. In deze hypothese leidt de equivalentie van de beschrijving van fysica in speciale ruimtes tot het bestaan van unieke verbindingen tussen hun parameters - dualiteiten. Wiskundig manifesteert dit zich in de aanwezigheid van een relatie die het mogelijk maakt om de parameters van interacties van deeltjes (of strings) van een van de theorieën te berekenen, als die voor de andere bekend zijn.
Het holografische universum.
Polchinsky verbindt vooruitgang in het begrijpen van de fysica van zwarte gaten met het feit dat in 1996, in het kader van de snaartheorie, Andrew Strominger en Kumrun Wafa de afleiding van de uitdrukking voor de entropie van zwarte gaten, voor het eerst thermodynamisch verkregen door de Israëlische fysicus Jacob Bekenstein in 1973, aantoonden. Hun conclusie geeft aan dat de verdamping van zwarte gaten de unitariteit van de kwantummechanica behoudt (geassocieerd met een consistente interpretatie van waarschijnlijkheid), die eerder in twijfel werd getrokken door de Britse wetenschapper Stephen Hawking.
Willekeurigheid in de waarden van de waargenomen fundamentele constanten kan volgens Polchinsky, hoewel het een ernstige moeilijkheid is in de "theorie van alles", toch enkele universele kenmerken van de natuur ophelderen (in het bijzonder het bestaan van het Multiversum). De wetenschapper noemde de niet-nulwaarde van de kosmologische constante (de lambda-term in de vergelijkingen van Einstein) als het belangrijkste kenmerk dat theoretisch het bestaan van parallelle werelden aangeeft. Volgens de wetenschapper heeft de overgrote meerderheid van snaartheorieën betrekking op het Multiversum. Deze modellen bevatten ook een kosmologische constante die niet nul is. Dat wil zeggen, volgens Polchinsky, het een kan niet zonder het ander. Bovendien schatte de natuurkundige op basis van Bayesiaanse gevolgtrekking de waarschijnlijkheid van het bestaan van het Multiversum op 94 procent (dit komt overeen met een statistische significantie van twee standaarddeviaties).
"Je bent het misschien niet eens met mijn schatting van 94 procent, maar er is geen rationeel argument dat het multiversum niet bestaat, of dat het onwaarschijnlijk is", schrijft Polchinsky. De wetenschapper is optimistisch over de vooruitzichten voor de formulering van kwantumzwaartekracht (in het kader van de snaartheorie), blijft in deze richting werken en sluit niet uit dat de constructie van een 'theorie van alles' eerder dan gepland zal worden afgerond dan het door hem voorspelde jaar 2131.
Andrey Borisov
