Теоретичният физик Йосиф Полчински от Калифорнийския университет в Санта Барбара предсказа годината на приключване на създаването на квантовата теория на гравитацията. Според учения това ще се случи през 2131 г. и ще се основава на теория на струните, която преобладаващото мнозинство от съвременните физици и математици признават за единствения кандидат за ролята на „теория на всичко“. Полчински, лауреат на наградата за основна физика, създадена от руския предприемач Юрий Милнър, изложи своите съображения в предпечат на уеб сайта arXiv.org.
В процеса на развитие физиката изследва все по-малки скали на разстояния и все по-големи мащаби на енергиите. В началото на 20 век учените получават първите си идеи за явления, възникващи в атомен мащаб. Към момента физиците имат достъп до скали от десет до минус седемнадесета мощност от сантиметри, съответстващи на експерименти на Големия адронен колайдер, което направи възможно откриването на бозона на Хигс. Сравнявайки етапите и темповете на развитие на физиката през XX и началото на XXI век, Полчински прогнозира, че до 2131 г. квантовата теория на гравитацията ще бъде окончателно формулирана. За това ученият изследва еволюцията на физиката през последните сто-странни години и сравнява постиженията на човечеството на определени енергийни мащаби с времето на това събитие.
През 1899 г. немският физик Макс Планк въведе под внимание дължината, наречена на него, съставена от основни константи (константа на Планк, гравитационна константа и скоростта на светлината във вакуум) и равна на десет до минус тридесет и трета сила на сантиметри. Понастоящем тази стойност се счита за недостижима скала за съвременните експерименти, върху които работи теорията на струните. Скалата от десет сантиметра до минус седемнадесета сила на сантиметри по логаритмична скала съответства на средата на разстоянието. Съответно остава същото време преди създаването на „теорията за всичко“, тъй като са минали 116 години от въвеждането на продължителността на Планк в науката.
Мащаб на дължината.
Малката дължина на Планк позволява, според Полчински, да осигури необходимото „размазване“на взаимодействията, обяснявайки невъзстановимостта (невъзможността за премахване на различията) на теорията за гравитацията. По този начин СМ и описаните от него три основни взаимодействия (електромагнитни, слаби и силни) се преосмислят, докато версията на квантовата гравитация, получена чрез наивно квантоване (тоест по същата рецепта като теорията на класическото поле), вече във втория ред на теорията на смущения се оказва различаващи се.
Според Полчински, по скалата на Планк, колебанията в пространството и времето стават значителни. Те образуват така наречената пространствено-времева пяна и осигуряват наблюдаваното разминаване на наивната версия на квантовата гравитация. Като исторически пример ученият цитира теорията на Енрико Ферми, която качествено описва слабото взаимодействие, но не може да се преосмисли.
Едва след като Стивън Уайнбърг, Шелдън Глашоу и Абдус Салам създадоха преосмислима теория за електрослабенето, която комбинира електромагнитни и слаби взаимодействия и въвежда междинни електро-слаби бозони, стана ясно, че теорията на Ферми е нискоенергийно приближение на друг, по-общ модел (в случая електромагнето) … Полчински смята, че същото ще се случи и с квантовата гравитация.
Йосиф Полчински.
Промоционално видео:
Полчински свързва уникалността на динамиката на теорията на струните с наличието само на един параметър, необходим за описание на природата - така наречената константа на струните. Междувременно, според учения, понастоящем „теорията на всичко“няма единен принцип (първи принцип), който да позволява дедуктивното му извеждане. За общата относителност има такъв елемент: принципът на локална еквивалентност между гравитационното поле и движението с ускорение. Класическият пример за това начало е в асансьора. С равномерно ускореното си движение нагоре спрямо Земята, наблюдателят в нея не е в състояние да определи дали се намира в по-силно гравитационно поле или се движи в създаден от човека обект.
В статията си Полчински споменава значението на квантовите колебания за решаване на уравнения на теорията на струните. Въпреки факта, че съвременните уравнения на квантовата теория на полето и общата относителност добре описват наблюдавания свят на наличните експериментални скали, те могат да бъдат модифицирани, без да противоречат на първите принципи на тези теории. Междувременно това води до ефекти, които не се наблюдават до момента, които са значителни по скалата на Планк.
Полчински се отнася до такива модификации като въвеждането на термини с по-високи производни в уравненията на квантовата теория на полето (понастоящем има само квадратични термини с първите производни на полетата) и добавянето на термини квадратични в кривината на пространството-времето към уравненията на Айнщайн в GR. Тези допълнения водят до необходимостта да се вземат предвид колебанията на пяната от пространство-време, която съществува, според прогнозите на теорията на струните, по скалата на Планк.
Квантова пяна.
Полчински обяснява ролята на пространството за теорията на струните, като използва примера за огледална симетрия, която позволява съществуването на различни многообразие на Евгенио Калаби и Шинтана Яу, които, като са уплътнени (сгънати в изключително малки допълнителни пространствени размери) от различни пространства, могат да доведат до същите свойства на елементарни частици … Това (заедно с потенциала за съществуване на допълнителни пространствени измерения) предполага, че наблюдаваната физика е проява на многоизмерната геометрия на пространството-времето и нейната структура в скалата на Планк.
Двойствеността на теориите на габаритите и квантовата гравитация, разбирани като холография, ще позволят, според Полчински, да опишат физиката на частиците и гравитацията по еднакъв начин. Холографският принцип, предложен през 1993 г. от холандския физик Джерард т'Хофт, твърди, че информацията, съдържаща се на външната му граница (лъч), е достатъчна за математическо описание на свят: в този случай идеята за обект с по-голямо измерение може да бъде получена от холограми, т.е. имащи по-ниско измерение.
Приложен към теорията на струните, принципът е въплътен в идеята за кореспонденцията AdS / CFT, която беше посочена през 1998 г. от американския теоретичен физик от аржентински произход Хуан Малдасена. В тази хипотеза еквивалентността на описанието на физиката в специални пространства води до съществуването на уникални връзки между техните параметри - дуалности. Математически това се проявява в присъствието на връзка, която позволява на човек да изчисли параметрите на взаимодействията на частици (или струни) на една от теориите, ако такива са известни за другата.
Холографската вселена.
Полчински свързва напредъка в разбирането на физиката на черните дупки с факта, че през 1996 г. в рамките на теорията на струните Андрю Стромингер и Кумрун Вафа демонстрират извеждането на израза за ентропията на черните дупки, получена за първи път термодинамично от израелския физик Джейкъб Бекенщайн през 1973 г. Заключението им показва, че изпаряването на черните дупки запазва унитарността на квантовата механика (свързана с последователна интерпретация на вероятността), която преди това беше поставена под въпрос от британския учен Стивън Хокинг.
По произволността на стойностите на наблюдаваните фундаментални константи, според Полчински, въпреки че представлява сериозна трудност в „теорията на всичко“, все пак може да се изяснят някои универсални особености на природата (в частност, съществуването на Мултивселената). Ученият посочи ненулевата стойност на космологичната константа (ламбда терминът в уравненията на Айнщайн) като основна характеристика, която теоретично показва съществуването на паралелни светове. Според учения огромното мнозинство от теории на струните включва мултивселената. Тези модели съдържат и ненулева космологична константа. Тоест, според Полчински, едното не може да съществува без другото. Освен това, прилагайки Байесов извод, физикът оцени вероятността от съществуването на Мултиверса на 94 процента (това съответства на статистическа значимост на две стандартни отклонения).
„Може да не сте съгласни с моята оценка от 94 процента, но няма рационален аргумент, че мултиверсът не съществува или че е малко вероятно“, пише Полчински. Ученият е оптимист по отношение на перспективите за формулиране на квантовата гравитация (в рамките на теорията на струните), продължава да работи в тази посока и не изключва, че изграждането на „теория за всичко“ще бъде завършено предсрочно - по-рано от предвидената от него 2131 година.
Андрей Борисов