Οι συμμετρίες αποκαλύπτουν στοιχεία για το Ολογραφικό Σύμπαν

Γνωρίζουμε για τη βαρύτητα από την απόκρυφη συνάντηση του Νεύτωνα με το μήλο, αλλά ακόμα παλεύουμε να το καταλάβουμε. Ενώ οι άλλες τρεις δυνάμεις της φύσης οφείλονται όλες στη δραστηριότητα των κβαντικών πεδίων, η καλύτερη θεωρία της βαρύτητας μας την περιγράφει ως λυγισμένο χωροχρόνο. Για δεκαετίες, οι φυσικοί προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν κβαντικές θεωρίες πεδίου για να περιγράψουν τη βαρύτητα, αλλά αυτές οι προσπάθειες είναι ελλιπείς στην καλύτερη περίπτωση.

Μία από τις πιο ελπιδοφόρες από αυτές τις προσπάθειες αντιμετωπίζει τη βαρύτητα ως κάτι σαν ολόγραμμα - ένα τρισδιάστατο εφέ που ξεπροβάλλει από μια επίπεδη, δισδιάστατη επιφάνεια. Επί του παρόντος, το μόνο συγκεκριμένο παράδειγμα μιας τέτοιας θεωρίας είναι η αντιστοιχία AdS/CFT, στην οποία ένας συγκεκριμένος τύπος κβαντικής θεωρίας πεδίου, που ονομάζεται θεωρία σύμφωνου πεδίου (CFT), προκαλεί τη βαρύτητα στο λεγόμενο anti-de Sitter (AdS). ) χώρος. Στις παράξενες καμπύλες του χώρου AdS, ένα πεπερασμένο όριο μπορεί να περικλείει έναν άπειρο κόσμο. Ο Χουάν Μαλντασένα, ο ανακάλυψες της θεωρίας, το αποκάλεσε «σύμπαν σε ένα μπουκάλι».

Αλλά το σύμπαν μας δεν είναι ένα μπουκάλι. Το σύμπαν μας είναι (σε ​​μεγάλο βαθμό) επίπεδο. Κάθε μπουκάλι που θα περιείχε το επίπεδο σύμπαν μας θα έπρεπε να είναι απείρως μακριά στο χώρο και στο χρόνο. Οι φυσικοί αποκαλούν αυτή την κοσμική κάψουλα «ουράνια σφαίρα».

Οι φυσικοί θέλουν να καθορίσουν τους κανόνες για ένα CFT που μπορεί να προκαλέσει τη βαρύτητα σε έναν κόσμο χωρίς τις καμπύλες του χώρου AdS. Αναζητούν ένα CFT για επίπεδο χώρο — ένα ουράνιο CFT.

Η ουράνια CFT θα ήταν ακόμη πιο φιλόδοξη από την αντίστοιχη θεωρία στο AdS/CFT. Δεδομένου ότι ζει σε μια σφαίρα άπειρης ακτίνας, οι έννοιες του χώρου και του χρόνου καταρρέουν. Κατά συνέπεια, η CFT δεν θα εξαρτάται από τον χώρο και τον χρόνο. Αντίθετα, θα μπορούσε να εξηγήσει πώς δημιουργούνται ο χώρος και ο χρόνος.

Πρόσφατα αποτελέσματα έρευνας έδωσαν στους φυσικούς την ελπίδα ότι βρίσκονται στο σωστό δρόμο. Αυτά τα αποτελέσματα χρησιμοποιούν θεμελιώδεις συμμετρίες για να περιορίσουν το πώς μπορεί να μοιάζει αυτό το CFT. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα εκπληκτικό σύνολο μαθηματικών σχέσεων μεταξύ αυτών των συμμετριών — σχέσεις που έχουν εμφανιστεί στο παρελθόν σε ορισμένες θεωρίες χορδών, με αποτέλεσμα ορισμένοι να αναρωτιούνται εάν η σύνδεση είναι κάτι παραπάνω από σύμπτωση.

«Υπάρχει ένα πολύ μεγάλο, εκπληκτικό ζώο εδώ έξω», είπε ο Nima Arkani-Hamed, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ. "Αυτό που θα βρούμε θα είναι αρκετά εντυπωσιακό, ελπίζουμε."

Συμμετρίες στη σφαίρα

Ίσως ο πρωταρχικός τρόπος με τον οποίο οι φυσικοί ερευνούν τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης είναι να ανατινάξουν σωματίδια μαζί για να δουν τι συμβαίνει. Ο τεχνικός όρος για αυτό είναι "σκέδαση". Σε εγκαταστάσεις όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, τα σωματίδια πετούν από μακρινά σημεία, αλληλεπιδρούν και μετά πετούν προς τους ανιχνευτές σε οποιαδήποτε μετασχηματισμένη κατάσταση έχει υπαγορευτεί από τις κβαντικές δυνάμεις.

Εάν η αλληλεπίδραση διέπεται από οποιαδήποτε από τις τρεις δυνάμεις εκτός από τη βαρύτητα, οι φυσικοί μπορούν κατ' αρχήν να υπολογίσουν τα αποτελέσματα αυτών των προβλημάτων σκέδασης χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία πεδίου. Αλλά αυτό που θέλουν πραγματικά να μάθουν πολλοί φυσικοί είναι η βαρύτητα.

Ευτυχώς, ο Στίβεν Γουάινμπεργκ έδειξε στη δεκαετία του 1960 ότι ορισμένα προβλήματα κβαντικής βαρυτικής σκέδασης - αυτά που περιλαμβάνουν βαριτόνια χαμηλής ενέργειας - μπορούν να υπολογιστούν. Σε αυτό το όριο χαμηλής ενέργειας, "έχουμε καρφώσει τη συμπεριφορά", δήλωσε η Monica Pate από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Η κβαντική βαρύτητα αναπαράγει τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας." Ουράνιοι ολογράφοι όπως ο Pate και η Sabrina Pasterski του Πανεπιστημίου του Πρίνστον χρησιμοποιούν αυτά τα προβλήματα σκέδασης χαμηλής ενέργειας ως αφετηρία για να καθορίσουν ορισμένους από τους κανόνες που πρέπει να υπακούει η υποθετική ουράνια CFT.

Αυτό το κάνουν ψάχνοντας για συμμετρίες. Σε ένα πρόβλημα σκέδασης, οι φυσικοί υπολογίζουν τα προϊόντα της σκέδασης - τα «πλάτη σκέδασης» - και πώς θα πρέπει να φαίνονται όταν χτυπούν τους ανιχνευτές. Αφού υπολογίσουν αυτά τα πλάτη, οι ερευνητές αναζητούν μοτίβα που δημιουργούν τα σωματίδια στον ανιχνευτή, τα οποία αντιστοιχούν σε κανόνες ή συμμετρίες που πρέπει να υπακούει η διαδικασία σκέδασης. Οι συμμετρίες απαιτούν ότι εάν εφαρμόσετε ορισμένους μετασχηματισμούς στον ανιχνευτή, το αποτέλεσμα ενός γεγονότος σκέδασης θα πρέπει να παραμείνει αμετάβλητο.

Ακριβώς όπως οι κβαντικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να μεταφραστούν σε πλάτη σκέδασης που στη συνέχεια οδηγούν σε συμμετρίες, οι ερευνητές που εργάζονται στην κβαντική βαρύτητα ελπίζουν να μεταφράσουν τα προβλήματα σκέδασης σε συμμετρίες στην ουράνια σφαίρα και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν αυτές τις συμμετρίες για να συμπληρώσουν το εγχειρίδιο κανόνων CFT της ουράνιας.

«Προσπαθούμε να ξεκινήσουμε από τα βασικά συστατικά του λεξικού», είπε ο Παστερσκί, αναφερόμενος στις συμμετρίες, «και μετά να προχωρήσουμε από εκεί».

Τον Νοέμβριο, μια ομάδα με επικεφαλής τον Andrew Strominger του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ δημοσίευσε μια εργασία που περιγράφει την «άλγεβρα συμμετρίας» που πρέπει να υπακούει η ουράνια CFT. Η άλγεβρα υπαγορεύει πώς συνδυάζονται διαφορετικοί μετασχηματισμοί συμμετρίας για να σχηματίσουν νέους μετασχηματισμούς. Μελετώντας τη δομή της σύνθεσης των μετασχηματισμών, ο Strominger και οι συνεργάτες του, συμπεριλαμβανομένου του Pate, κατάφεραν να περιορίσουν περαιτέρω τη δυνητική CFT. Ανακάλυψαν ότι η ομάδα συμμετριών στην ουράνια σφαίρα υπάκουε σε μια καλά μελετημένη και καλά εδραιωμένη άλγεβρα — μια που έχει ήδη εμφανιστεί σε ορισμένες θεωρίες χορδών και σχετίζεται με την περιγραφή γνωστών κβαντικών συστημάτων όπως το κβαντικό φαινόμενο Hall. /P>

"Το γεγονός ότι η δομή στην οποία προσγειώθηκες είναι κάτι με το οποίο οι άνθρωποι έχουν εξερευνήσει και παίξει στο παρελθόν, σε ενθαρρύνει ότι ίσως υπάρχει κάτι σε αυτό", δήλωσε ο David Skinner, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge.

Άπειρα ζητήματα

Όταν έχεις μια θεωρία που εφαρμόζεται σε μια απείρως μακρινή σφαίρα, προκύπτουν προβλήματα. Σκεφτείτε δύο σωματίδια που ενώνονται και διασκορπίζονται. Εάν διασκορπιστούν σε οποιαδήποτε γωνία που δεν είναι μηδενική, μέχρι να φτάσουν στην απείρως μακρινή ουράνια σφαίρα, θα απέχουν επίσης απείρως. Η έννοια της απόστασης καταρρέει. Οι συνήθεις θεωρίες μας βασίζονται στην εντοπιότητα, στην οποία η ισχύς των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των αντικειμένων εξαρτάται από την απόστασή τους το ένα από το άλλο. Αλλά αν όλα είναι απείρως μακριά από οτιδήποτε άλλο, το CFT πρέπει να ξεπεράσει την τοπικότητα.

Ακόμα πιο περίπλοκο:Ποια είναι η έννοια του χρόνου στην ουράνια σφαίρα, η οποία είναι απείρως μακριά τόσο στο παρελθόν όσο και στο μέλλον; Δεν έχει νόημα εδώ.

Ο Arkani-Hamed θεωρεί το γεγονός ότι οι έννοιες του χώρου και του χρόνου καταρρέουν στην ουράνια σφαίρα είναι χαρακτηριστικό και όχι σφάλμα. Προσφέρει τη δυνατότητα να εξηγηθεί ο χωροχρόνος ως αναδυόμενη ιδιότητα μιας πιο θεμελιώδους θεωρίας.

Άλλοι μετριάζουν τον ενθουσιασμό τους. «Νομίζω ότι είναι συναρπαστικό, αλλά νομίζω ότι υπάρχει πολύς δρόμος», είπε ο Skinner. "Υπάρχουν ορισμένα πράγματα που θα έλεγα ότι είναι σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν."

Ο Arkani-Hamed δεν διαφωνεί. «Το όλο θέμα είναι να καταλάβω και να καταλάβω ποια είναι η ερώτηση. Αλλά το διακύβευμα είναι επίσης εξίσου υψηλό.»