Teoretski fizičar Joseph Polchinsky sa Kalifornijskog sveučilišta u Santa Barbari predvidio je godinu završetka stvaranja kvantne teorije gravitacije. Prema znanstveniku, to će se dogoditi 2131., a temeljit će se na teoriji struna, koju ogromna većina modernih fizičara i matematičara prepoznaje kao jedinog kandidata za ulogu "teorije svega". Polchinski, laureat Nagrade za fizikalnu fiziku koju je osnovao ruski poduzetnik Jurij Milner, izložio je svoja razmišljanja u preprintu na web stranici arXiv.org.
U procesu razvoja, fizika je istraživala sve manje skale udaljenosti i sve veće ljestvice energija. Početkom 20. stoljeća znanstvenici su dobili prve ideje o pojavama koje se događaju u atomskoj skali. Do sada, fizičari imaju pristup ljestvici od deset do minus sedamnaest centimetara, što odgovara pokusima na Velikom hadronskom sudaraču, koji su omogućili otkrivanje Higgsovog bozona. Uspoređujući faze i stope razvoja fizike u XX i početkom XXI stoljeća, Polchinsky je predvidio da će do 2131. biti konačno formulirana kvantna teorija gravitacije. Zbog toga je znanstvenik ispitao evoluciju fizike u posljednjih stotinu neobičnih godina i usporedio dostignuća čovječanstva u određenim energetskim ljestvicama s vremenom ovog događaja.
Godine 1899. njemački fizičar Max Planck uveo je u obzir duljinu koja je nazvana po njemu, sastavljenu od osnovnih konstanti (Planckova konstanta, gravitaciona konstanta i brzina svjetlosti u vakuumu) i jednaka deset do minus trideset treća sila centimetra. Trenutno se ova vrijednost smatra nedostižnom ljestvicom za moderne eksperimente na kojima djeluje teorija struna. Ljestvica od deset centimetara do minus sedamnaeste snage centimetra na logaritamskoj skali odgovara sredini udaljenosti. U skladu s tim ostaje isto vrijeme prije stvaranja "teorije svega", jer je od uvođenja Planckove dužine u znanost prošlo 116 godina.
Ljestvica duljine.
Malenkost Planckove duljine omogućuje, prema Polchinskyju, pružanje potrebnog "razmazivanja" interakcija, objašnjavajući ne-renormalizabilnost (nemogućnost uklanjanja odstupanja) teorije gravitacije. Dakle, SM i tri temeljne interakcije koje je on opisao (elektromagnetska, slaba i jaka) su renormalizirani, dok se inačica kvantne gravitacije dobivena naivnom kvantizacijom (to je prema istom receptu kao i klasična teorija polja), već u drugom redu teorije poremećaja ispostavlja odvojit.
Prema Polchinskyju, na Planckovoj skali fluktuacije u prostoru i vremenu postaju značajne. Oni tvore ono što se naziva prostorno-vremenska pjena i pružaju uočeno odstupanje naivne verzije kvantne gravitacije. Kao povijesni primjer, znanstvenik navodi teoriju Enrica Fermija, koja je kvalitativno dobro opisala slabu interakciju, ali nije bila renormalizabilna.
Tek nakon što su Steven Weinberg, Sheldon Glashow i Abdus Salam stvorili renormalizirajuću teoriju za elektro-slabljenje koja kombinira elektromagnetske i slabe interakcije i uvodi intermedijarne bozonske bozone, postalo je jasno da je Fermijeva teorija niskoenergetska aproksimacija drugog, općenitijeg modela (u ovom slučaju elektro-slabljenja) … Polchinski smatra da će se isto dogoditi i s kvantnom gravitacijom.
Josip Polčinski.
Promotivni video:
Polchinski povezuje jedinstvenost dinamike teorije struna s prisutnošću samo jednog parametra potrebnog za opisivanje prirode - takozvane konstante stringova. U međuvremenu, prema znanstveniku, u ovom trenutku "teorija svega" nema niti jedno ujednačeno načelo (prvo načelo) koje bi mu omogućilo dedukciju. Za opću relativnost postoji takav element: princip lokalne ekvivalencije između gravitacijskog polja i gibanja s ubrzanjem. Klasičan primjer ovog početka je u dizalu. Svojim ravnomjerno ubrzanim kretanjem prema gore prema Zemlji, promatrač na njemu ne može utvrditi nalazi li se u jačem gravitacijskom polju ili se kreće u čovjekovom objektu.
U svom članku Polchinski spominje važnost kvantnih kolebanja za rješavanje jednadžbi teorije struna. Unatoč činjenici da suvremene jednadžbe teorije kvantnog polja i opće relativnosti dobro opisuju promatrani svijet na raspoloživim eksperimentalnim mjerilima, one se mogu modificirati što ne proturječi prvim načelima ovih teorija. U međuvremenu, to dovodi do učinaka koji nisu primijećeni do danas, a koji su značajni na Planckovoj ljestvici.
Polchinski se odnosi na takve modifikacije kao uvođenje pojmova s višim derivatima u jednadžbama teorije kvantnih polja (trenutno postoje samo kvadratni pojmovi s prvim derivatima polja) i dodavanje pojmova kvadratnih u zakrivljenosti prostora-vremena Einsteinovim jednadžbama u GR. Ti dodaci dovode do potrebe da se uzmu u obzir fluktuacije pjene prostor-vrijeme, koja postoji, prema predviđanjima teorije struna, na Planckovoj ljestvici.
Kvantna pjena.
Polchinsky objašnjava ulogu prostora za teoriju struna primjerom zrcalne simetrije, koja omogućava postojanje različitih mnogostrukih vrsta Eugenio Calabi i Shintana Yau, koje, kompaktno (presavijene u izuzetno male dodatne prostorne dimenzije) iz različitih prostora, može dovesti do istih svojstava elementarnih čestica … To (zajedno s potencijalom postojanja dodatnih prostornih dimenzija) sugerira da je promatrana fizika manifestacija višedimenzionalne geometrije prostora-vremena i njegove strukture na Planckovoj skali.
Dualnost teorija mjera i kvantna gravitacija, shvaćena kao holografija, omogućit će, prema Polčinskom, jednoličan opis fizike i gravitacije čestica. Holografsko načelo koje je 1993. godine predložio nizozemski fizičar Gerard t'Hooft tvrdi da su informacije sadržane na njegovoj vanjskoj granici (snopu) dovoljne za matematički opis svijeta: u ovom slučaju, ideja holografske građe može se dobiti iz holograma, ima nižu dimenziju.
Primijenjeno na teoriju struna, princip je utjelovljen u ideji korespondencije AdS / CFT, na koju je 1998. ukazao američki teorijski fizičar argentinskog porijekla Juan Maldacena. U ovoj hipotezi ekvivalentnost opisa fizike u posebnim prostorima dovodi do postojanja jedinstvenih veza između njihovih parametara - dualnosti. Matematički se to očituje u prisutnosti odnosa koji omogućuje izračunavanje parametara interakcija čestica (ili žice) jedne od teorija, ako su takve poznate drugoj.
Holografski svemir.
Polchinsky povezuje napredak u razumijevanju fizike crnih rupa s činjenicom da su 1996. godine, u okviru teorije struna, Andrew Strominger i Kumrun Wafa demonstrirali izvedbu izraza za entropiju crnih rupa, prvi put termodinamički dobiven od izraelskog fizičara Jacoba Bekensteina 1973. godine. Njihov zaključak ukazuje da isparavanje crnih rupa čuva unitarnost kvantne mehanike (povezanu s dosljednom interpretacijom vjerojatnosti), što je prethodno ispitivao britanski znanstvenik Stephen Hawking.
Proizvoljnost vrijednosti promatranih temeljnih konstanti, prema Polchinsky, iako to predstavlja ozbiljnu poteškoću u "teoriji svega", ipak može razjasniti neke univerzalne značajke prirode (posebno, postojanje multiverse). Znanstvenik je nenuznu vrijednost kozmološke konstante (lambda pojam u Einsteinovim jednadžbama) nazvao glavnim obilježjem koje teoretski ukazuje na postojanje paralelnih svjetova. Prema znanstveniku, velika većina teorija struna uključuje Multiverse. Ovi modeli također sadrže i nerazumnu kozmološku konstantu. To je, prema Polčinskom, jedno ne može postojati bez drugog. Štoviše, primjenjujući Bayesova zaključka, fizičar je procijenio vjerojatnost postojanja Multiversela na 94 posto (što odgovara statističkoj važnosti dva standardna odstupanja).
"Možda se ne slažete s mojom procjenom od 94 posto, ali ne postoji racionalan argument da multiverzija ne postoji ili da je malo vjerojatno", piše Polchinsky. Znanstvenik je optimističan u pogledu izgleda formulacije kvantne gravitacije (u okviru teorije struna), nastavlja raditi u tom smjeru i ne isključuje da će izgradnja "teorije svega" biti dovršena unaprijed - ranije od predviđene godine koju je 2131.
Andrey Borisov