Що таке конфлікт між загальною релятивністю та квантовою механікою

Незважаючи на наш успіх в описі внутрішніх робіт Всесвіту, є зазори в наших знаннях. Де є теорія грандіозної об’єднання або загальна теорія всього? Чому теорія Ейнштейна загальної релатності проти квантової механіки? Чому ми хочемо зібрати їх разом?

Майже все ми знаємо про фізику можна покласти в два басейни. В одній буде квантова механіка, на основі якої ми розробили стандартну модель, в тому числі всі фундаментальні частинки, які ми знайшли, а також три з чотирьох взаємодій: електромагнетизм, слабкі та сильні ядерні сили.

У іншому басейні є загальна теорія релятивності Ейнштейна, яка описує четверту силу, тяжіння і дає нам чорні отвори, розширення Всесвіту і потенціал для часу подорожі.

Чи можуть ці басейни об'єднуватися в одну? Ми часто говоримо, що загальна релятивність не працює з квантовою механікою. Люди кажуть, що «Ейнштейн був невірним» і починають виводити висновки, «що означає, що швидкість світла не максимальна.» Чому це так?

Не знає, як квантова механіка та загальна релятивність об’єднаються в теорію «кілької ваги». А поки є цікаві ідеї, які ми спробуємо говорити про те, давайте стартувати з тим, чому нам потрібна теорія квантової ваги.

Два царства.
Квантові механіки та релятиваційні роботи на абсолютно різних масштабах. Квантова механіка, наприклад, була невідома до науки, тому що це важливо тільки на атомних вагах. Якщо ви розумні, ви можете уявити, коли квантова механіка контролює долю кота, але це буде розтягувати.

Відновлення, з іншого боку, стає важливим тільки в міцних гравітаційних полях. Час, наприклад, уповільнює поверхню Землі порівняно з часом далекого простору; світло згинається навколо галактикових кластерів. Ці ефекти дуже ігноруються, якщо ми говоримо про поверхню нейтронних зірок і речей, таких як. Іншими словами, загальна релятивність поширюється в межах космосу і її впливу вимірюються у відповідних масштабах, від зірки до усього Всесвіту.

Тим не менш, є дуже цікаві кути простору-часу, де загальна релятивність та квантовий колоїд.

Чорні отвори, як правило, стануть відмінними астрофізичними лабораторіями, в першу чергу, тому що вони як невеликі, так і мають потужне гравітаційне поле. Перші спроби вдало поєднати гранатові та квантові ефекти з'явилися на кордонах чорних дір у вигляді знаменитого гончарного випромінювання, який повністю випаруватиме будь-яке чорне отвір (на квадроциклі роки) і привести до неминучої термічної смерті Всесвіту.

Ми дуже тонкі зовні. Але як ми переїжджаємо далі і далі в центр чорного отвору, ми маємо менше і менше знань про те, як насправді працює фізика.

Кута
Після того, як ви скинете щось в чорний отвір за горизонтом події, не тільки він не зможе втекти, він буде недорогий. Результатом є те, що в світі з єдиним королем, тяжінням, все, що потрапляє в чорний отвір, витягується в нескінченно невелику і нескінченно щільну точку, так звану співкутність. Важкий момент Big Bang має таку ж проблему: була неймовірно висока щільність (за рахунок сильної ваги) закривається в дуже невеликий простір. У цей самий перший момент він повинен бути нескінченно невеликим простором.

Ми ніколи не бачили так званої «необхідності» безпосередньо (і є непогана причина вірити, що ми ніколи не бачимо), що недостатньо для розуміння явища, але досить добре, з точки зору не розірвався від tidal gravitational сил.

З картини загальної релятивності випливає, що нуклеї чорних отворів буквально мають нульовий радіус, але квантова механіка говорить щось абсолютно різне. У квантових механіках є «принцип невизначеності», який говорить, що ви ніколи не можете визначити точну позицію. На практиці це означає, що навіть що ми називаємо «частинки» не може бути довільним. Згідно з квантовою механікою, маса нашого Сонця, наприклад, не може бути укладена в регіон менше 1073 метрів.

Нескінченно невеликий, але не нуль.

Якщо це були єдиним зіткненням квантової механіки і тяжіння (і багато хто з вас вже знав її), люди можуть бути пробачені, щоб бути розчаровані масштабом проблеми. Але найважчий конфлікт між квантом і загальним релятивентністю починається більш глибоким, ніж 10-73 м.

Класичні та квантові теорії
Загальна релятивність відома як класична теорія поля, яка описує всесвіт як безперервний розподіл номерів — цифри, якщо ваші інструменти досить точні, щоб вимірювати їх — це розповість вам про викривлення простору і часу. Завіси, в свою чергу, повністю описуються розподілом і переміщенням маси і енергії. Як Джон Колер сказав,

Маса розповідає про простір, як вигнути, а простір-час розповідає про масові способи переміщення.
Але квантова теорія повністю відрізняється. У квантовій теорії, частинки взаємодіють надсиланням частинок разом. Електроенергія, наприклад, відправляє фотони між зарядженими частинками, сильною взаємодією залучаються глюони, а слабкі взаємодії залучаються до босонів W і Z.

Ми не повинні зануритися в чорному отворі, щоб побачити конфлікт між класичними та квантовими теоріями. Розглянуто відомий експеримент «дві-щілини». Промінь електронів (або фотон або інші частинки) мухує через екран з двома тонкими мухами на ньому. Через квантову невизначеність не можна прогнозувати, що простягається електрон. І мухає через два мурах одночасно. Вона звучить як віспа, але в контексті ваги, це ще більш винахідливий. Якщо електрон проходить через один щілин, він обов'язково створить гравітаційне поле, відрізняється від того, що відбувається при проходженні іншого щілини.

Якщо ви усвідомлюєте, що згідно з затримкою колісного експерименту стає можливим налаштовувати експеримент, щоб при його запуску ви можете спостерігати системний ретроспективно і зробити електрон через один нахил або інший (хоча ви не можете вибрати, який).

Світ тяжіння повинен бути повністю детермінованим, але квантова механіка досить протилежна.

Є ще одна глибока проблема. На відміну від електрики, яка впливає тільки на заряджені частинки, вага впливає на все. Всі форми масової та енергетичної взаємодії з тяжінням та створення гравітаційних полів. І на відміну від електрики немає негативної маси, яка б не позбавляла позитивної маси.

Ми можемо уявити квантову теорію тяжіння в принципі. Як і з іншими силами, буде медіаторська частинка, що називається гранатометом, яка несе сигнал.

Ми можемо уявити менші масштаби і дивитись більше віртуальних гранат, що простягаються між частинками. Проблема полягає в тому, що енергія збільшується на меншій кількості. Ядро атома вимагає більшої енергії для розбиття, ніж видалення електрона з орбіти, наприклад.

На невеликому масштабі стартує ковпачка високоенергетичних віртуальних гранат. Гравітність повинна дотримуватися всіх форм енергії, але тут ми виготовимо нескінченну кількість високоенергетичних частинок, які створять потужне гравітаційне поле. Можливо, ви можете побачити труднощі. По закінченню дня, всі обчислення застрягаються в букеті нескінченностей, що ховаються навколо.

У електромагнетизмі та інших квантових взаємодій, обчислення починають стиглюватися на дуже невеликих масштабах, відомих як «Довжина ПК», приблизно 10-35 метрів - набагато менше, ніж атом. Для оплати праці в традиціях, фізики не мають уявлення, як працює фізика в масштабах менше, ніж довжина Планка. У цих масштабах квантова механіка говорить, що чорні діри можуть виникати, випадковості зацарюють там, а сам простір пульсує, коли ви подивитеся на це так близько. Це світлий світ.

Ми намагаємося уникнути цих зіткнень теорії через процес, відомий як ренормалізація. Ренормалізація - це просто веселий спосіб сказати, що ми робимо обчислення в певній мірі, а потім зупинитися. Це дозволяє позбутися від домішок в більшості теорій і приймати спокійний дихання. З більшості сил можна віднести різницю між двома енергійами, неважливо, якщо ви розраховуєте повну кількість чи ні.

Але не кожен був настільки оптимізмом. Великий Річард Фейнман зазначив:

У грі ми граємо технічно називається ренормалізація. Я думаю, що це розумний процес. Ми не можемо довести до себе, що теорія квантової електродинаміки є математично самодостатньою. Не дивно, що ця самодостатність не доведена до сих пір, і я підозрю, що ренормалізація не є математично законним. ?

Почнемо заперечення. Чим гірше ми говоримо про тяжіння. Оскільки (неподібна електромагнетизм) гравітація впливає на всі частинки, нескінченні енергії будуть означати різні вигини. Ренормалізація, навіть в кращому випадку, не буде працювати. Не можна позбутися від домішок.

Що ми знаємо?
Ми не маємо теорії квантової ваги, але ми маємо деякі ідеї про те, що має бути успішна теорія. Наприклад, має бути гранатомет, а так як гравітон, здається, простягається по всій площі, графітон (як фотон) повинен бути безмасштабним. Масові носії (наприклад, W і Z bosons) працюють тільки на коротких відстанях.

Але це не все. Виявляється, що існує лише один зв’язок між класичною та квантовою теоріями. Наприклад, електромагнетизм генерує електричні заряди та струми. Джерела математично описуються як вектори, і виходить, що вектори призводять до медіатора частинки з хребтом 1. Виявляється, що посередники з непарним хребтом виробляють сили, які відлякують ті ж частинки. По суті, два електрони відлякують один одному.

З іншого боку, відомий як «теорна теорія», оскільки має всі види джерел, що стосуються тиску, швидкості потоку та щільності розподілу енергії. Квантові варіанти теорії тензора будуть мати медіаторські частинки з хребтом 2,2 км Як ви можете уявити, що гранат буде хребтом 2,2 км І як можна вгадати, ці частинки привернеться. Зовсім досить, частинки рясно привертають.

Ми знаємо трохи про те, що повинні бути гранати. Але що робити з усіма цими нескінченностями, ніхто не знає.

Джерело: мозкуswork.ru