Zephyrnet Logosu

Renate Loll, Kuantum Yerçekiminin Kilidini Açmak İçin Evrenleri Karıştırıyor | Quanta Dergisi

Tarih:

Giriş

Renate Loll, Doctor Strange kabusları görebilecek evrenler gördü. Kesirli boyutlarla 3B dünyaları, düzlükleri ve parçalanmış gerçeklikleri keşfetti. Nazik kıvrımlara sahip evrenler ve şiddetli sivri uçlarla patlayan evrenler gördü. Sonsuza dek genişleyen evrenlere ve uzayın var olmadığı evrenlere tanık oldu.

Bunları ve sayısız başka kozmik tarihin bilgisayarlarının dijital belleğinde oynadığını izledikten sonra, Loll artık hiçbir şeyi hafife almıyor - kesinlikle gerçekliğimizin dokusunu oluşturan sıradan üç uzay boyutu ve bir zaman boyutu değil. .

 “Hiçbir şey önceden belirlenmiş değil” dedi Yayılmak, Hollanda'daki Radboud Üniversitesi'nde teorik fizikçi.

Loll, bu dijital evrenlerin dikkatli bir şekilde sayımının, kuantum yerçekiminin - muhtemelen Einstein'ın uzay, zaman ve yerçekimi kavramının altında yatan daha kesin kuantum teorisi - belirli yönlerini ortaya çıkarabileceğine inanıyor. Einstein, genel görelilik ile yerçekimini - gizemli bir kuvvet - uzay ve zamanın şeklinin bir sonucu olarak tanımladı. Kuantum teorisinin temel ilkelerinden biri, bu şeklin yalnızca basit bir geometri olmadığını, bir anlamda olası tüm şekillerin bir ortalaması olduğunu ileri sürer. Bu varsayımlara Loll, nedenlerin sonuçlardan önce geldiği gibi görünen bariz gerekliliği ekler. Bu üç bileşenin - geometri, kuantum teorisi ve nedensellik - gerçekliğin temel yapısının kaba kuvvet hesaplamalarını mümkün kılmak için yeterli olduğundan şüpheleniyor - döngüler, diziler veya ekstra boyutlar gerekmiyor.

Loll ve işbirlikçileri, dijital üçgen kalıplarını kullanarak gerçeğe yaklaşmak için 20 yıldan fazla zaman harcadılar. Nedensel dinamik üçgenlemeler olarak bilinen teorileri, çok sayıda olası evreni bir araya getirirseniz, bizimkine çok benzeyen bir evren oluşturabileceğinizi göstermiştir. O ve işbirlikçileri ayrıca, küçük ölçeklerde, uzay-zamanın tamamen beklenmedik bir yapıya sahip olabileceğine dair ipuçları buldular - dünyaların karışımının kuantum parmak izi.

"Bu, klasik olarak asla düşünemeyeceğim, kısa ölçeklerde önemsiz olmayan kuantum yapısının olduğuna dair ilk gerçek kanıt" dedi.

Loll, kimdi? sadece adlandırılmış Hollanda Aslanı Nişanı Şövalyesi, yakın zamanda konuştu Quanta Dergisi neden bir uzay-zaman simülatörü haline geldiği, tüm bu olası evrenleri nasıl yarattığı ve kuantum yerçekimi alanının bundan sonra nereye gidebileceği hakkında. Röportaj netlik için kısaltılmış ve düzenlenmiştir.

Giriş

Yerçekimi ve uzay-zamanın yapısını incelemeye sizi çeken neydi?

Aslında iktisat alanında yüksek lisans yapmaya başladım, ancak kısa süre sonra lisans öğrencisi olarak okuduğum fizik için vatan hasreti çektim. Ekonomi, insanların davranışlarını tahmin etmekle ilgilidir. Yüksek enerji fiziği, temel yasalarıyla çok daha basittir.

Kuantum yerçekimine kendi yaklaşımınızı başlatmaya nasıl geldiniz?

hayatımın 10 yılını gurbette geçirdim döngü kuantum yerçekimi programı. Bu ilk başta gerçekten heyecan vericiydi, ancak kağıt üzerinde sayısız son derece resmi ve soyut kalem hesaplamaları yaptıktan sonra, 1990'ların başında kıskanç hissetmeye başladım. diğer gruplar bilgisayarda hesaplamalar yaparak uzay-zaman üzerine daha somut çalışmalar yapanlar.

Bu çalışmalar, bilgisayarların uzay-zamanın olası kuantum yapılarını inceleyebileceğini, ancak bizim gördüğümüz gibi uzayın geniş dokularını üretmekte zorlandıklarını öne sürdü. Meslektaşım Jan Ambjørn ve sorunun, bu çalışmaların kullandığı uzay-zamanın gerçekçi olmayan, "Öklid" geometrisine sahip olup olmadığını merak ettim. Öklid uzay-zamanları zamansızdır. Onlarda normalde bir yönü gösteren zaman, içsel oku olmayan uzayın başka bir boyutuna dönüşmüştür. Dolayısıyla bu modellerin herhangi bir nedensellik kavramı yoktur - nedenin sonuçtan önce gelmesi gerekliliği.

Nedensel yapıyı uzay-zamana getirebilirsek, belki metodoloji kurtarılabilir, diye düşündük. Nedensel dinamik üçgenleme (CDT) teorimiz bu şekilde doğdu.

Giriş

CDT nedir? Hangi anlamda bir kuantum yerçekimi teorisidir?

CDT, kuantum etkilerinden hangi geometrinin ve uzay-zaman dokusundaki hangi dokuların ortaya çıkması gerektiğini hesaplamak için bir çerçevedir. Bunu kendimize şu soruyu sorarak geliştirdik: İlginç bir uzay-zaman geometrisi oluşturmak için ihtiyacımız olan minimum malzeme seti nedir?

Uzay-zaman dokusunun şekli nasıl hesaplanır?

Bir bilgisayarın işleyebilmesi için bir teoriyi sabit sayıda küçük parçalara ayırmanın denenmiş ve doğrulanmış tekniğini izliyoruz.

Bir uzay-zaman teorisini bu şekilde yaklaştırdığınızda, kullanılacak en basit şekiller, kavisli bir tuval oluşturmak için birbirine yapıştırabileceğiniz üçgenlerdir. Altı eşkenar üçgeni bir köşe etrafında birbirine yapıştırdığınızı hayal edin. Bu size bir parça düz uzay-zaman verir. Şimdi bir üçgeni çıkarın ve komşularının kenarlarını birleştirin. Bu size bir koni verir - bir parça kavisli uzay-zaman. Her noktada farklı sayıda üçgen ekleyerek veya çıkararak, herhangi bir uzay-zaman eğriliğini yakalayabilirsiniz.

Ardından sihirli adım gelir. Şekillerin hem klasik hem de kuantum kurallarına göre etkileşime girmesine izin veriyorsunuz.

Daha sonra, üçgenler eriyip şekilsiz noktalara dönüşene kadar kafesi neredeyse uzaklaştırıyormuşsunuz gibi giderek daha ince hale getirin. Klasik teorinize kuantum yönlerini dahil ettiğiniz için, yeni ve oldukça beklenmedik bir şey ortaya çıkabilir.

Giriş

Hangi kuantum kurallarını kullanıyorsunuz?

adı verilen evrensel bir prosedür kullanıyoruz. yol integrali Einstein'ın yerçekimini bir miktar kuantum özü ile aşılamak için. Yol integrali, gördüğümüz evrenin gerçekten de tüm olası uzay-zaman şekillerinin bir "süperpozisyonu" olan bir kuantum bileşimi olduğunu ileri sürer. Bu kuantum içeriktir.

Üçgenler bize bu süreci ele almanın bir yolunu veriyor. İdeal olarak, evrenin alabileceği tüm olası geçmişleri temsil ederek, üçgenleri birbirine yapıştırmanın mümkün olan her yolunu toplardık. Ancak bu imkansız, bu yüzden hangi evrenlerin en muhtemel olduğuna dair bir fikir edinmek için pek çok rastgele üçgen konfigürasyonu oluşturarak buna yaklaştırıyoruz. Böyle bir şeyi ilk deneyen biz değildik ama bizimkine benzeyen bir evren ortaya çıkaran prosedürü alan ilk bizdik.

 CDT'yi uzay-zamana yaklaşmaya yönelik diğer girişimlerden ayıran nedir?

Nedensel kısım! Bahsettiğim gibi, diğer gruplar zamansız bir "Öklid" uzayında çalışmışlardı. Bu, teknik nedenlerle yol integralinin hesaplanmasını kolaylaştırır, ancak zamanda yolculuk etmenize ve nedenselliği ihlal etmenize izin verecek tuhaf geometrileri dahil etmenin bedelini ödersiniz.

Zamanı ve uzay-zamanın nedensel yapısını korumak istedik. Üçgenlerimizi daha az yapının olduğu Öklid uzayından kesmek yerine, özel bir zaman yönü olan normal uzay-zamandan kesip çıkardık.

Giriş

Bu plana bir kez tıkladığınızda, işe yarayıp yaramadığını nasıl bildiniz?

A ön hesaplama 1998'de nedenselliği korumanın gerçekten temelde farklı bir teoriyle sonuçlandığını gösterdi. Bu bize devam etme cesaretini verdi. Sonraki birkaç yıl boyunca, tetrahedra kullanarak 3B simülasyonlara doğru yol aldık.

Nihayet 4'te uzayın üç boyutunda ve zamanın bir boyutunda yaşadığımız için bizim için özellikle önemli olan 2004B'ye ulaştık. Sonra nefesimizi tuttuk ve simülasyonları çalıştırdık.

Ve?

Ne gördük? İlk başta hiçbir şey. Boyut kavramı ince olabilir, ancak bunu anlamanın bir yolu, giderek daha fazla 4B üçgen eklemektir - önce 50,000, sonra 100,000, sonra 200,000 - ve toplu üçgen sürüsünün şeklinin nasıl büyüdüğünü görün.

Bunu yaptığımızda, sürünün sanki tek yönlü bir 3 boyutlu evren gibi büyüdüğünü gördük. Bu daha önce hiç görülmemişti. 4 boyutlu yapı taşlarının 4 boyutlu bir evren oluşturabileceği aşikar görünebilir, ama öyle değil. Öklid uzayındaki önceki girişimler, üçgenlerin buruşuk toplar halinde kümelendiği veya ip gibi ağlar halinde uzandığı tuhaf alanlar üretmişti - büyük uzamsal boyutlar olarak tanıyabileceğimiz herhangi bir yapıya sahip değillerdi. Ama bir şekilde Einstein'ın yerçekimi teorisi, yol integrali ve nedensellik, yapı taşlarını bizimki gibi geniş bir 4B evrende kendilerini düzenlemeye ikna etmişti. O zaman, genişletilmiş bir evrenin gerçekten olabileceğine dair bir iddiada bulunabiliriz. ilk prensiplerden ortaya çıkmak.

Giriş

Bu kulağa cesaret verici geliyor, ancak uzay-zamanın 4 boyutlu olması gerektiğini zaten biliyorduk. CDT herhangi bir tahminde bulunuyor mu?

Öyle! Yeterince yakınlaştırırsanız, uzay-zamanın 4 boyutlu doğasını kaybedeceğini tahmin etmiştik. Bunu görmek için, başka türde bir boyutu, difüzyonla ortaya çıkan boyutu incelemeniz gerekir. Örneğin, bir mürekkep damlası 2 boyutlu bir sayfada 3 boyutlu bir su bardağından farklı bir şekilde yayılır, bu nedenle difüzyona bakarak nasıl bir alanda olduğunuza dair bir fikir edinebilirsiniz.

Burada dikkat çekici bir sonuç bulduk. 4B evrenimizde bir mürekkep damlasının salınmasını simüle ettiğimizde, sanki kabaca 2B bir uzayda sıkışmış gibi yayıldı - sadece birkaç an için de olsa. Daha fazla yayılmak için zamanı olduğunda, normal bir şekilde yayılır.

Ama kelimenin tam anlamıyla düz bir levhaya yayılıyor gibi değil. Sanki uzay-zamanın çok kısa mesafelerdeki kuantum yapısı fraktal benzeri. Yani, alan tamamen doludur, ancak belirli bölümleri başlangıçta diğer bölümler kadar erişilebilir olmayacak şekilde kablolanmıştır. Burada kuantum baskıya sahip bir mikro yapıya sahibiz, ancak uzaklaştırırsanız her şey iyi ve 4 boyutlu görünüyor. Yaşasın!

Aslında komik. Başlangıçta iş arkadaşlarımı bunun potansiyel olarak önemli bir sonuç olabileceğine ikna etmem gerekti ve şimdi en çok alıntı yapılan makalemiz.

Bu, gerçekte test etmeyi umabileceğiniz bir tahmin mi?

Bu gerçek bir kuantum imzası ama onu nerede, eğer herhangi bir yerde gözlemleyebileceğimizi henüz bilmiyoruz.

Uzay-zamanın kuantum doğasının açıklığa kavuşması beklenen Planck ölçeğinin küçük mesafeleri ile deneylerde erişebileceğimiz ölçek arasında devasa bir boşluk var. Küçük etkilerin bizim gibi devlerin algılayabileceği kadar büyüdüğü yerler bulmak için en iyi şansımız nedir? Muhtemelen astrofizik ve biz de CDT'nin sonuçlarının ne olabileceğini araştırıyoruz.

CDT, evrenimize uyuyor gibi görünen özellikleri hesaplamada bazı başarılar elde ettiyse, sizce kuantum yerçekimi topluluğu neden yöntemi benimsemedi?

Satılması her zaman zor olan bir husus, kuantum yerçekimini anlamak için sayısal yöntemler kullanmanız gerektiği fikridir. Klasik genel görelilik güzel bir teoridir. Yazdığınız denklemler karmaşık ama kompakt bir forma sahiptir. İnsanlar matematiksel güzelliğin ve bazı basit şeyleri analitik olarak yapabilmenin şımarıklığını yaşıyor.

Ama gerçekçi olarak, yerçekiminin güçlü olduğu durumları tarif etmek isterseniz, bunu basit denklemlerle yapamazsınız. Üçgenlemelerimiz gibi sayısal yöntemler, kuantum yerçekimi modelleri için akıl sağlığı kontrolü görevi görür.

Giriş

Basit, güzel teoriler arayışının bir çıkmaz olduğunu düşünüyor musunuz?

Olabilir. Yıllardır topluluk, her şeyin teorisi yaklaşımı tarafından yönlendirildi, diğer her şeyin takip ettiği tek formülü yazabilmeniz gerekiyor. Şimdi merak ediyorum, bu gerçekten gerçekçi bir beklenti mi?

Modern teorilerin ne kadar basit olduğu bizi şımarttı. Örneğin, kuantum alan teorilerini incelediğinizde, parçacık kavramına sahipsiniz. Elektromanyetik kuvveti taşıyan foton için yeterince yakın. Kelimenin tam anlamıyla küçük bir top değil, ama yerel bir enerji parçasını algılayabilen makinelerimiz var. Dedektör bir tık sesi çıkarır ve bu bir fotondur.

Ancak yerçekimi kuvvetinin varsayımsal taşıyıcısı olan graviton aynı şekilde var mıdır? Freeman Dyson savundu bireysel gravitonları tespit etmenin imkansız olabileceğini. Foton detektörünün en basit yerçekimsel analoğu o kadar büyük olacaktır ki, tek bir graviton bulamadan bir kara deliğe çökecektir. Belki de bireysel gravitonlar, bireysel fotonlar gibi somut bir şekilde var olmazlar. Belki de doğadan çok şey istiyoruz.

Eğer bir dizi sonrası, döngü sonrası aşama Kuantum yerçekimi araştırmasının, yazdığınız gibi, bu hangi aşamadır?

Sicim teorisi bize bir zenginlik utancı verdi. 11 boyutta tanımlanması gerekiyordu ve tutarlı olması için birçok keşfedilmemiş parçacığa ihtiyacı vardı. Saf matematiğin ilerlemesi de dahil olmak üzere bize çok şey veren güzel bir araç kutusu. Ancak bu egzotik fikirler, benzersiz bir kuantum yerçekimi teorisi bulma konusunda bizi gerçekten hiçbir yere götürmedi.

Toplumda yeni bir tevazu algılıyorum. Döngülerin, sicimlerin ve diğer uzatılmış nesnelerin çok zengin ve egzotik çerçevelerine bu gezileri yaptıktan sonra, öyle ya da böyle takılıp kaldık, kuantum alan teorisinin güzelliğini yeniden keşfetmeye başlıyoruz. Ve CDT, temellere geri dönme eğiliminin bir parçasıdır.

spot_img

En Son İstihbarat

spot_img