Zephyrnet-logo

Renate Loll combineert universums om kwantumzwaartekracht te ontgrendelen | Quanta-tijdschrift

Datum:

Introductie

Renate Loll heeft universums gezien waar Doctor Strange nachtmerries van zou krijgen. Ze heeft 3D-werelden, vlaktes en gebroken realiteiten met fractionele dimensies verkend. Ze heeft universums gezien met zachte rondingen en universums die explodeerden met gewelddadige pieken. Ze is getuige geweest van eeuwig uitdijende universums en universums waarin ruimte niet bestaat.

Na het zien van deze en een ontelbaar aantal andere kosmische geschiedenissen die zich afspelen in het digitale geheugen van haar computers, neemt Loll niets meer als vanzelfsprekend aan - zeker niet de alledaagse drie dimensies van ruimte en één dimensie van tijd die de structuur van onze realiteit vormen. .

 "Niets is voorbeschikt", zei hij lol, een theoretisch natuurkundige aan de Radboud Universiteit in Nederland.

Loll gelooft dat een zorgvuldige telling van deze digitale universums bepaalde aspecten van kwantumzwaartekracht zou kunnen ontsluiten - de meer precieze kwantumtheorie die vermoedelijk ten grondslag ligt aan Einsteins notie van ruimte, tijd en zwaartekracht. Met de algemene relativiteitstheorie definieerde Einstein zwaartekracht - een mysterieuze kracht - als een gevolg van de vorm van ruimte en tijd. Een kernprincipe van de kwantumtheorie suggereert dat deze vorm niet slechts één eenvoudige geometrie is, maar in zekere zin een gemiddelde van alle mogelijke vormen. Aan deze veronderstellingen voegt Loll de ogenschijnlijk voor de hand liggende eis toe dat oorzaken vóór gevolgen komen. Ze vermoedt dat deze drie ingrediënten - geometrie, kwantumtheorie en causaliteit - voldoende zijn om brute krachtberekeningen van de fundamentele structuur van de werkelijkheid mogelijk te maken - geen loops, strings of extra dimensies vereist.

Loll en haar medewerkers hebben meer dan 20 jaar besteed aan het benaderen van de werkelijkheid met behulp van patronen van digitale driehoeken. Hun theorie, bekend als causale dynamische triangulaties, heeft aangetoond dat als je een groot aantal mogelijke universums samenvoegt, je een kosmos kunt creëren die veel op de onze lijkt. Zij en haar medewerkers hebben ook aanwijzingen gevonden dat ruimte-tijd op kleine schaal een totaal onverwachte structuur kan hebben - een kwantumvingerafdruk van de vermenging van werelden.

"Dit is het eerste echte bewijs dat er een niet-triviale kwantumstructuur op korte schaal bestaat, waar ik klassiek nooit aan had gedacht", zei ze.

Lol, wie was zojuist genoemd een Ridder in de Orde van de Nederlandse Leeuw, sprak onlangs met Quanta Magazine over waarom ze een ruimte-tijdsimulator werd, hoe ze zelfs al deze mogelijke universums maakt, en waar het veld van kwantumzwaartekracht vervolgens naartoe zou kunnen gaan. Het interview is voor de duidelijkheid ingekort en bewerkt.

Introductie

Wat trok je aan om de zwaartekracht en de structuur van ruimte-tijd te bestuderen?

Ik begon eigenlijk met wat afstudeerwerk in economie, maar ik kreeg al snel heimwee naar natuurkunde, die ik als student had gestudeerd. Economie gaat over het voorspellen van het gedrag van mensen. Hoge-energiefysica, met zijn fundamentele wetten, is een stuk eenvoudiger.

Hoe kwam je ertoe om je eigen benadering van kwantumzwaartekracht te lanceren?

Ik heb 10 jaar van mijn leven doorgebracht in de lus kwantumzwaartekracht programma. Dit was in het begin heel spannend, maar na talloze uiterst formele en abstracte pen-op-papierberekeningen begon ik begin jaren negentig jaloers te worden op andere groepen die meer concrete studies van ruimte-tijd uitvoerden door berekeningen op een computer uit te voeren.

Die studies suggereerden dat computers mogelijke kwantumstructuren van ruimte-tijd zouden kunnen onderzoeken, maar ze worstelden om uitgestrekte weefsels van ruimte te produceren zoals die we zien. Mijn collega Jan Ambjorn en ik vroeg me af of het probleem was dat de ruimte-tijd die deze studies gebruikten een onrealistische, "Euclidische" geometrie had. Euclidische ruimte-tijden zijn tijdloos. Daarin is de tijd, die normaal in één richting wijst, getransformeerd in gewoon een andere dimensie van ruimte, die geen intrinsieke pijl heeft. Dus die modellen hebben geen notie van causaliteit - de eis dat oorzaak voor gevolg komt.

Misschien kan de methodologie worden gered, dachten we, als we causale structuur in ruimte-tijd konden brengen. Zo ontstond onze theorie van causale dynamische triangulaties (CDT).

Introductie

Wat is CDT? In welke zin is het een theorie van kwantumzwaartekracht?

CDT is een raamwerk om te berekenen welke geometrie - en welke texturen in het weefsel van ruimte-tijd - moeten voortkomen uit kwantumeffecten. We ontwikkelden het door onszelf af te vragen: wat is de minimale set ingrediënten die we nodig hebben om een ​​interessante geometrie van ruimte-tijd te produceren?

Hoe bereken je de vorm van het weefsel van ruimte-tijd?

We volgen de beproefde techniek om een ​​theorie in een vast aantal kleine stukjes te hacken zodat een computer het aankan.

Wanneer je op deze manier een theorie van ruimte-tijd benadert, zijn de eenvoudigste vormen om te gebruiken driehoeken, die je aan elkaar kunt lijmen om een ​​gebogen canvas te maken. Stel je voor dat je zes gelijkzijdige driehoeken aan elkaar lijmt rond één hoekpunt. Dat geeft je een stukje vlakke ruimte-tijd. Verwijder nu een driehoek en verbind de zijden van zijn buren. Dat geeft je een kegel - een stuk gekromde ruimte-tijd. Door op elk punt verschillende aantallen driehoeken toe te voegen of te verwijderen, kunt u elke ruimte-tijdkromming vastleggen.

Dan komt de magische stap. Je laat de vormen op elkaar inwerken volgens zowel klassieke als kwantumregels.

Vervolgens maak je het rooster steeds fijner, bijna alsof je uitzoomt, totdat de driehoeken wegsmelten tot vormeloze punten. Omdat je kwantumaspecten in je klassieke theorie hebt geïntroduceerd, kan er iets nieuws en nogal onverwachts ontstaan.

Introductie

Welke kwantumregels gebruik je?

We gebruiken een universele procedure genaamd de padintegraal om de zwaartekracht van Einstein te bezielen met wat kwantumessentie. De padintegraal suggereert dat het universum dat we zien in werkelijkheid een kwantumcombinatie is, een 'superpositie' van alle mogelijke ruimte-tijdvormen. Dat is het kwantumingrediënt.

De driehoeken geven ons een manier om grip te krijgen op dat proces. Idealiter zouden we alle mogelijke manieren optellen om driehoeken aan elkaar te lijmen, die alle mogelijke geschiedenissen vertegenwoordigen die het universum zou kunnen hebben. Maar dat is onmogelijk, dus we benaderen het door veel willekeurige configuraties van driehoeken te genereren om een ​​idee te krijgen van welke universums het meest waarschijnlijk zijn. We waren niet de eersten die zoiets probeerden, maar we waren de eersten die de procedure kregen om een ​​universum uit te spugen dat ongeveer op het onze lijkt.

 Wat onderscheidt CDT van andere pogingen om ruimte-tijd te benaderen?

Het causale deel! Zoals ik al zei, hadden andere groepen in een tijdloze "Euclidische" ruimte gewerkt. Dat maakt de padintegraal om technische redenen gemakkelijker te berekenen, maar je betaalt de prijs voor het opnemen van rare geometrieën waarmee je door de tijd kunt reizen en de causaliteit schendt.

We wilden de tijd en de causale structuur van ruimte-tijd behouden. In plaats van onze driehoeken uit de Euclidische ruimte te knippen, waar minder structuur is, snijden we ze uit de normale ruimte-tijd, die een speciale tijdrichting heeft.

Introductie

Hoe wist u toen u eenmaal op dit schema stuitte of het werkte?

A voorlopige berekening in 1998 bleek dat het behouden van causaliteit wel degelijk een fundamenteel andere theorie opleverde. Dat gaf ons de moed om door te gaan. In de daaropvolgende jaren werkten we ons op naar 3D-simulaties met behulp van tetraëders.

Uiteindelijk bereikten we 4D - wat vooral relevant is voor ons, aangezien we in drie dimensies van ruimte en één dimensie van tijd leven - in 2004. Daarna hielden we onze adem in en voerden de simulaties uit.

En?

Wat hebben we gezien? Eerst niets. Het begrip dimensie kan subtiel zijn, maar een manier om er een idee van te krijgen, is door steeds meer 4D-driehoeken toe te voegen - eerst 50,000, dan 100,000, dan 200,000 - en te zien hoe de vorm van de collectieve zwerm driehoeken groeit.

Toen we dat deden, ontdekten we dat de kudde precies groeit alsof het een 3D-universum is met één tijdrichting. Dat was nog nooit eerder gezien. Het klinkt misschien voor de hand liggend dat 4D-bouwstenen een 4D-universum kunnen produceren, maar dat is het niet. Eerdere pogingen in de Euclidische ruimte hadden vreemde ruimtes voortgebracht waar driehoeken samenklonterden tot verkreukelde ballen of zich uitstrekten tot draderige webben - ze hadden helemaal geen structuur die we zouden herkennen als grote ruimtelijke dimensies. Maar op de een of andere manier hadden Einsteins theorie van de zwaartekracht, de padintegraal en causaliteit de bouwstenen overgehaald om zichzelf te rangschikken in een uitgestrekt 4D-universum zoals het onze. Dan zouden we echt kunnen beweren dat een uitgebreid universum dat zou kunnen voortkomen uit de eerste principes.

Introductie

Dat klinkt bemoedigend, maar we wisten al dat ruimte-tijd 4D zou moeten zijn. Doet CDT voorspellingen?

Het doet! We voorspelden dat als je ver genoeg inzoomt, ruimte-tijd zijn 4D-aard verliest. Om het te zien, moet je een ander soort dimensie bestuderen, de dimensie die wordt onthuld door diffusie. Een inktdruppel verspreidt zich bijvoorbeeld anders op een 2D-pagina dan in een 3D-waterglas, dus door naar diffusie te kijken, kunt u een idee krijgen van wat voor soort ruimte u zich bevindt.

Hier vonden we een opmerkelijk resultaat. Toen we het vrijkomen van een inktdruppel in ons 4D-universum simuleerden, verspreidde het zich alsof het vastzat in een ruwweg 2D-ruimte - hoewel slechts voor een paar ogenblikken. Zodra het tijd heeft om zich verder te verspreiden, verspreidt het zich op een normale manier.

Maar het is niet alsof het zich letterlijk door een plat laken verspreidt. Het is meer alsof de kwantumstructuur van ruimte-tijd over zeer korte afstanden fractalachtig is. Dat wil zeggen, de ruimte is volledig ingevuld, maar het is zo bekabeld dat bepaalde delen ervan in eerste instantie niet zo toegankelijk zijn als andere delen. Hier hebben we een microstructuur met een kwantumafdruk, maar als je uitzoomt, ziet alles er prima uit en is het 4D. Hoera!

Het is eigenlijk grappig. Ik moest aanvankelijk mijn medewerkers ervan overtuigen dat dit een potentieel belangrijk resultaat zou kunnen zijn, en nu is het zover ons meest geciteerde artikel.

Is dat een voorspelling die je zou kunnen hopen in werkelijkheid te testen?

Het is een echte kwantumsignatuur, maar we weten nog niet waar en waar we het zouden kunnen waarnemen.

Er gaapt een kolossale kloof tussen de kleine afstanden van de Planck-schaal, waar verwacht wordt dat de kwantumkarakteristiek van ruimte-tijd duidelijk wordt, en de schaal waartoe we in experimenten toegang hebben. Wat is onze beste gok om plaatsen te vinden waar kleine effecten groot genoeg worden opgeblazen zodat reuzen zoals wij ze kunnen detecteren? Het is waarschijnlijk astrofysica, en we werken uit wat de gevolgen van CDT daar ook kunnen zijn.

Als CDT enig succes heeft gehad bij het berekenen van kenmerken die overeenkomen met ons universum, waarom denk je dan dat de kwantumzwaartekrachtgemeenschap de methode niet heeft omarmd?

Een aspect dat altijd moeilijk te verkopen is geweest, is het idee dat je numerieke methoden moet gebruiken om kwantumzwaartekracht te begrijpen. De klassieke algemene relativiteitstheorie is een prachtige theorie. De vergelijkingen die je opschrijft hebben een ingewikkelde maar compacte vorm. Mensen worden verwend door de wiskundige schoonheid en het analytisch kunnen doen van sommige simpele dingen.

Maar realistisch gezien, als je situaties wilt beschrijven waarin de zwaartekracht sterk is, kun je dat niet doen met simpele vergelijkingen. Numerieke methoden, zoals onze triangulaties, dienen als een gezond verstand voor kwantumzwaartekrachtmodellen.

Introductie

Denk je dat de zoektocht naar simpele, mooie theorieën een doodlopende weg is?

Het zou kunnen. Al jaren wordt de gemeenschap gedreven door de theorie-van-alles-benadering, dat je in staat moet zijn om die ene formule op te schrijven waaruit al het andere volgt. Nu vraag ik me af, is dit echt een realistische verwachting?

We zijn verwend door hoe eenvoudig moderne theorieën zijn. Als je bijvoorbeeld kwantumveldentheorieën bestudeert, heb je het deeltjesconcept. Voor het foton, dat de elektromagnetische kracht draagt, is het dichtbij genoeg. Het is niet letterlijk een balletje, maar we hebben machines die een lokaal beetje energie kunnen detecteren. De detector maakt een klik en dat is een foton.

Maar bestaat het graviton - de hypothetische drager van de zwaartekracht - op dezelfde manier? Freeman Dyson betoogde dat het onmogelijk zou kunnen zijn om individuele gravitonen te detecteren. De meest eenvoudige zwaartekrachtanaloog van de fotonendetector zou zo massief zijn dat hij zou instorten in een zwart gat voordat hij een enkele graviton zou vinden. Misschien bestaan ​​individuele gravitonen niet op dezelfde concrete manier als individuele fotonen. Misschien vragen we te veel van de natuur.

Als we een post-string, post-loop podium van kwantumzwaartekrachtonderzoek, zoals je hebt geschreven, in welk stadium is dat?

De snaartheorie gaf ons een schat aan rijkdom. Het moest worden gedefinieerd in 11 dimensies en er waren veel onontdekte deeltjes nodig om het consistent te maken. Het is een prachtige gereedschapskist die ons zoveel heeft gegeven, waaronder de vooruitgang van zuivere wiskunde. Maar deze exotische ideeën hebben ons niet echt ergens gebracht wat betreft het vinden van een unieke theorie van kwantumzwaartekracht.

Ik bespeur een nieuwe nederigheid in de gemeenschap. Na deze uitstapjes gemaakt te hebben naar de zeer rijke en exotische kaders van loops, strings en andere verlengde objecten, waar we op de een of andere manier vast kwamen te zitten, beginnen we de schoonheid van kwantumveldentheorie te herontdekken. En CDT past in deze trend om terug te gaan naar de basis.

spot_img

Laatste intelligentie

spot_img