полями обнаруживаются автоматически и корректно.
Вспомним из главы 2, что один из способов сказать, является ли особое объединение успешным, заключается в том, что там немедленно появляется обоснование, что теория согласуется с природой. Тот факт, что правильная унификация слабой и электромагнитной сил происходит из простейшей версии идеи Конне, является неотразимым. Это разновидность вещи, которая могла бы произойти с теорией струн, но не произошла.
Имеется другой набор подходов, которые фокусируются на том, как могли бы классическое пространство-время и физика частиц возникнуть из лежащей в основании дискретной структуры. Эти модели разрабатывались физиками из теории конденсированной материи, такими как Роберт Лафлин из Стэнфорда, Григорий Воловик из Хельсинского технологического университета и Ксао-Гань Вэн из Массачусетского технологического института. Недавно эти подходы были подхвачены молодыми людьми в квантовой гравитации, такими как Олаф Дрейер. Эти модели примитивны, но они показывают, что аспекты СТО, такие как универсальность и верхний предел скорости, могут появляться из определенных видов дискретных квантовых систем. Одно провокационное утверждение Воловика и Дрейера заключается в том, что проблема космологической константы решена – поскольку, прежде всего, она никогда не была на самом деле проблемой. Они утверждают, что идея, что здесь была проблема, была ошибкой, следствием слишком серьезного восприятия фоново-зависимых теорий. Ошибка, утверждают они, возникает из разделения на части основных переменных теории и трактовки некоторых из них как замороженного фона, а других как квантовых полей.[6] Если они правы в отношении этого, это будет самым важным результатом, который был получен от квантовой гравитации за много лет.
Рисунок 15. Спиновая сеть, которая является состоянием квантовой геометрии в петлевой квантовой гравитации и связанных с ней теориях. Показаны кванты объема, ассоциированные с вершинами, и кванты площади, ассоциированные с ребрами.
Рисунок 16. Спиновые сети эволюционируют во времени через серии локальных изменений, подобных этим.
Все подходы, которые я описал, являются независимыми от фона. Некоторые начинают с предположения, что пространство-время составлено из дискретных строительных кирпичиков. Одному подходу удалось сделать лучше и показать, что дискретность пространства и времени является следствием соединения вместе принципов квантовой теории и теории относительности. Это то, чего достигла петлевая квантовая гравитация. Она так и начала с революционной переформулировки Аштекаром эйнштейновской ОТО в 1986. Мы нашли, что, не добавляя входных данных, но просто переписав теорию Эйнштейна в терминах нового набора переменных, стало возможным точно вывести, что такое квантовое пространство-время.
Ключевая идея, стоящая за петлевой квантовой гравитацией, на самом деле стара, что мы уже обсуждали в главе 7. Это идея описания поля, подобного электромагнитному полю, прямо в терминах линий этого поля. (Слово 'петлевая' возникает из того факта, что в отсутствие вещества линии поля могут замыкаться, формируя петли.) Это было предвидение Хольгера Нильсена, Александра Полякова и Кеннета Вильсона, и это была одна из идей, которая привела к теории струн. В своей основе теория струн является развитием этой провидческой идеи в контексте фиксированного фона пространства и времени. Петлевая квантовая гравитация есть та же самая идея, но развитая в полностью фоново-независимой теории.
Этот труд стал возможным благодаря великому открытию Аштекара, что ОТО могла бы быть выражена на языке, подобном языку калибровочных полей. Метрика пространства-времени тогда оказывается чем-то подобным электрическому полю. Когда мы пытаемся рассмотреть соответствующие силовые линии квантово-механически, мы вынуждены рассматривать их без фона, поскольку его нет – полевые линии уже описывают геометрию пространства. Раз уж мы сделали их квантово-механически, классической геометрии не остается. Так что мы заново изобрели квантовую теорию поля, чтобы работать без фоновой метрики. Чтобы сократить длинную историю, это пытались сделать многие люди с различными уровнями по физике и математике, но мы преуспели. Результат является петлевой квантовой гравитацией.
Итоговая картина очень проста. Квантовая геометрия есть определенный вид графа (см. Рис. 15). Квантовое пространство-время есть последовательность событий, по которым эволюционирует граф через локальные изменения в своей структуре. Это лучше всего иллюстрируется примерами, которые показаны на Рис. 16.
Теория приводит ко многим успехам. Она оказывается конечной в трех смыслах:
1. Квантовая геометрия конечна, так что площади и объемы выражаются в дискретных единицах.
2. Когда вы вычисляете вероятности для квантовой геометрии эволюционировать в направлении различных историй, они всегда предстают конечными (по меньшей мере, в определенной формулировке теории, именуемой моделью Барретта-Гране).
3. Когда теория присоединяется к главной теории, такой как стандартная модель физики частиц, бесконечности, которые исходно возникают, переводятся в конечные величины: то есть, без гравитации вы должны проводить специальную процедуру, чтобы изолировать бесконечные выражения и перевести их в разряд ненаблюдаемых; с гравитацией просто нет бесконечных выражений.
Нужно подчеркнуть, что тут нет неопределенности, связанной с предварительными установками. Главные результаты петлевой квантовой гравитации обеспечиваются строгими теоремами.
Самый большой вызов, который с самого начала стоял перед петлевой квантовой гравитацией, заключался в объяснении, как возникает классическое пространство-время. В последние несколько лет был достигнут важный прогресс в этой проблеме, частично благодаря изобретению новых приблизительных процедур. Они показали, что теория имеет квантовые состояния, описывающие вселенные, где геометрия является в хорошем приближении классической. Важный шаг был предпринят год назад Карло Ровелли из Центра теоретической физики в Марселе и его коллегами, они нашли строгое подтверждение, что петлевая квантовая гравитация предсказывает, что две массы должны притягиваться друг к другу в точности тем образом, как это установлено законом Ньютона.[7] Эти результаты также указывают, что при низких энергиях теория имеет гравитоны, так что петлевая квантовая гравитация на самом деле является теорией гравитации.
Сегодня предпринимается много усилий, чтобы применить петлевую квантовую гравитацию к явлениям реального мира. Имеется точное описание горизонта черной дыры, в рамках которого получается правильная энтропия. Эти результаты согласуются со старыми предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, что черные дыры имеют энтропию и температуру (см. главу 6). Как я писал, одной из горячих тем среди аспирантов и постдоков является предсказание модификаций результата Хокинга для термодинамики черных дыр, которые, когда будут измерены при некотором будущем изучении физической черной дыры, смогли бы подтвердить или фальсифицировать петлевую квантовую гравитацию.
Петлевая квантовая гравитация является также основой для моделей, которые позволяют изучать сильно изменяющиеся во времени геометрии внутри черных дыр. Несколько вычислений дают свидетельство, что сингулярности внутри черных дыр удаляются. Таким образом, время может продолжаться и за пределами точки, в которой классическая ОТО предсказывает, что оно должно закончиться. Где это происходит? Это, кажется, происходит внутри вновь созданных областей пространства-времени. Сингулярность заменяется тем, что мы называем пространственно-временным отскоком. Прямо перед отскоком материя внутри черной дыры сжимается. Сразу после отскока она расширяется, но внутрь нового региона, который не существовал ранее. Это очень удовлетворительный результат, так как он подтверждает ранние рассуждения Брюса ДеВитта и Джона Арчибальда Уилера. Та же самая техника использовалась, чтобы изучить, что происходит в самой ранней вселенной. И опять теоретики нашли подтверждение, что сингулярность устраняется, что означает, что вселенная существовала и до Большого Взрыва.
Устранение сингулярности в черных дырах обеспечивает естественный ответ на информационный парадокс Хокинга для черных дыр. Как отмечалось в главе 6, информация не теряется; она переходит в новый регион пространства-времени.
Проверка того, что петлевая квантовая гравитация дает нам по поводу очень ранней вселенной, заключается в возможности рассчитать предсказания для реальных наблюдений. Два постдока в Пограничном институте, Стефан Хофманн и Оливер Винклер, недавно смогли вывести точные предсказания для квантово-гравитационных эффектов, которые могут быть обнаружены в будущих наблюдениях космического микроволнового фона.[8]
Теоретики также заняты попытками предсказать, что мы можем увидеть в экспериментах Аугера и GLAST, оба из которых укажут, нарушается ли СТО при планковских энергиях. Одно из великих преимуществ фоново-независимых подходов заключается в их способности делать предсказания для таких экспериментов. Сохраняется или нарушается принцип относительности инерциальных систем отсчета? Модифицируется ли он, как в теориях DSR? Как я подчеркивал, ни одна фоново-зависимая теория не может делать реальные предсказания для этих экспериментов, поскольку ответ на вопрос уже получен выбором фона. Теория струн, в особенности, предполагает, что относительность инерциальных систем остается верной в исходной форме, которую дал Эйнштейн в СТО.
Только фоново-независимые подходы могут сделать предсказание о судьбе принципов СТО, поскольку свойства классического пространства-времени возникают как решение динамической проблемы.
Петлевая квантовая гравитация обещает быть способной делать уверенные предсказания. В моделях, в которых пространство имеет только два измерения, это уже сделано: предсказано, что DSR верна. Имеются указания, что то же самое предсказание сохранится и для нашего трехмерного мира, но до сегодняшнего дня для этого нет убедительных доказательств.
Как насчет других больших проблем, таких как объединение частиц и сил? До недавнего времени мы думали, что петлевая квантовая гравитация мало что может сказать о других проблемах, отличных от квантовой гравитации. Мы могли бы ввести материю в теорию, и хорошие результаты не должны были бы измениться. Если бы мы захотели, мы могли бы ввести всю стандартную модель физики частиц – или любую другую модель физики часиц, которую мы хотели изучить, – но мы не думали, что петлевая квантовая гравитация может внести что-то особенное в проблему объединения. Совсем недавно мы поняли, что мы ошибались по этому поводу. Петлевая квантовая гравитация уже имеет в себе элементарные частицы, и недавние результаты наводят на мысль, что это в точности правильная физика частиц: стандартная модель.
Год назад Фотини Маркопоулоу предложила новый способ подхода к проблеме, как из более фундаментальной теории может возникать геометрия пространства. Маркопоулоу молодой физик, работающая в квантовой гравитации, которая чаще всех удивляет меня невероятными идеями, которые оказываются правильными, и эта была одна из ее лучших идей. Вместо того, чтобы прямо спрашивать, может или нет геометрия квантового пространства- времени появиться как классическое пространство-время, она предложила отличающийся подход, основанный на идентификации и изучении движения частиц в квантовой геометрии. Ее идея была, что частица должна быть некоторым видом эмерджентного возбуждения квантовой геометрии, путешествующего через геометрию, почти как волна путешествует через твердое тело или жидкость. Однако, чтобы была воспроизведена известная нам физика, эти эмерджентные частицы должны описываться как чисто квантовые частицы, игнорируя квантовую геометрию, через которую они путешествуют.[9]
Обычно, когда частица находится во взаимодействии с окружением, информация о ее состоянии рассеивается в окружении – мы говорим, что наступает декогерентность. Тяжело предотвратить воозникновение этой декогерентности; в этом, кстати, причина, почему тяжело сделать квантовый компьютер, который для своей эффективности зависит от нахождения частиц в чистом квантовом состоянии. Люди, которые делают квантовые компьютеры, имеют идеи о
