Пространственно временная пена: Геометрические идеи в физике (сб. статей)
Геометрические идеи в физике (сб. статей)
Геометрические идеи в физике (сб. статей)
ОглавлениеВступительная статья редактора переводаI. Евклидова квантовая теория гравитации 2. Тепловые свойства 3. Гравитационный вакуум 4. Асимптотически локально евклидовы метрики 5. Пространственно-временная пена 2. Пространственно-временная пена 2. Топология 3. Объемный канонический ансамбль 4. Классические решения 5. Конформные свойства 6. Континуальное интегрирование 7. Супергравитация 3. Инстантоны и монополи в теориях калибровочных полей Янга—Миллса 2. Предварительные математические сведения 3. Теория калибровочного поля Янга — Миллса: основные понятия и формулы 4. Точное определение инстантонов 5. Точное определение монополей 6. Явные инстантонные решения 7. Явное монопольное решение для q = 1 8. Преобразования Бэклунда для автодуальных калибровочных полей 9. Нелокальные законы сохранения для автодуальных калибровочных полей Янга — Миллса 10.  Заключение4. Гравитационные инстантоны: обзор 5. Перспективы теорий супергравитации 2. Супергравитация из первых принципов 3. Симметрии расширенных супермультиплетов 4. Расширенная супергравитация и физика частиц 6. Суперсимметрия-супергравитация Лекция 1. Суперсимметрия Алгебра Лекция 2. Дифференциальные формы, внешние производные и структурные уравнения Лекция 3. Суперсимметричная калибровочная теория Лекция 4. Супергравитация 7. Полное решение тождеств Бьянки при учете супергравитационных связей в суперпространстве 2. Дифференциальная геометрия в суперпространстве и тождества Бьянки 3. Решение тождеств Бьянки 4. Результаты 8. Кручение и кривизна в теории расширенной супергравитации 2. Тензорное исчисление в суперпространствах 3. Тензор кривизны 4. Вторые тождества Бьянки 5. Выводы 9. Алгебраические мотивировки суперпространственных связей в супергравитации 3.  Супергруппа Вейля4. Сохранение вида представлений 5. Выбор калибровки по супергруппе Вейля 6. Заключение Приложение 10. Супергравитация и великое объединение Составной супермультиплет II. Расширенная суперсимметрия и теории расширенной супергравитации Б. Расширенная суперсимметрия и размерная редукция б. Майорановские и вейлевские спиноры в пространстве-времени произвольного числа измерений в. Суперсимметричная теория Янга-Миллса в D = 10 измерениях [16] г. Теория простой супергравитации D = 11 измерениях В. Расширенная суперсимметрия и супергравитация в четырех измерениях б. Алгебра расширенной суперсимметрии в. Уравнения движения фермионов г. U(N)-инвариантность в расширенных супергравитациях д. Расширенные супергравитации с локальной группой Г. Возможные модификации гравитации на малых расстояниях |
Квантовая пена
Квантовая пена (также называемая пространственно-временной пеной) — понятие в квантовой механике, разработанное Джоном Уилером в 1955 году.
Пена задумана в качестве основы ткани Вселенной.
Теория
В соответствии с принципом неопределенностей квантовой механики и общей теорией относительности, пространство-время в малом масштабе не будет гладким. Согласно теории гравитации, пространство-время будет состоять из множества небольших областей, в которых оно изменяется пенообразным образом.
В квантовой механике, и в частности в квантовой теории поля, принцип неопределенности Гейзенберга допускает возникновение на короткое время частиц и античастиц, которые затем аннигилируют без нарушения физических законов сохранения. Чем меньше масштаб исследуемой пространственно-временной области, тем больше энергия таких частиц, называющихся виртуальными частицами. Объединяя это наблюдение с общей теорией относительности Эйнштейна, можно заключить, что в малых масштабах энергия флуктуаций будет достаточной, чтобы вызвать значительные отклонения от гладкого пространства-времени и придать пространству-времени «пенистый» характер.
В соответствии с этим ткань пространства-времени — это кипящая масса червоточин и крошечных виртуальных черных дыр.
Однако, как правило, квантовая теория поля не имеет дело с виртуальными частицами необходимой энергии для значительного изменения кривизны пространства-времени, поэтому квантовая пена является пока умозрительным расширением этих понятий, представляющих собой последействия таких высокоэнергетических виртуальных частиц на очень коротких расстояниях и временах.
В связи с отсутствием полноценной теории квантовой гравитации невозможно быть уверенным в том, как пространство-время будет выглядеть в малых масштабах. Понимание квантовой пены неизбежно будет неоднозначным до тех пор, пока существуют конкурирующие предложения по квантовой теории гравитации.
Экспериментальные доказательства (и контрдоказательства)
Телескопы MAGIC обнаружили, что фотоны гамма-излучения, пришедшие из BLAZAR Маркарьяна 501, прибыли в разное время. Исследователи отсортировали гамма-кванты высокой и низкой энергии, поступающие с объекта с каждой вспышкой.
Команда MAGIC показала, что высоко- и низкоэнергетические фотоны, по-видимому, излучались в одно и то же время. Но фотоны высоких энергий прибыли на четыре минуты позже, пройдя через пространство около 500 миллионов лет. Предполагается, что высокоэнергетические фотоны перемещались медленнее, что противоречит постоянству скорости света в теории относительности Эйнштейна. Это можно объяснить неоднородностью квантовой пены. Однако, более поздние эксперименты не смогли подтвердить предполагаемое изменение скорости света, обусловленное зернистостью пространства.
Другие эксперименты с участием поляризации света от далеких гамма-всплесков также дали противоречивые результаты. Наземные эксперименты продолжаются и будут продолжаться.
«Квантовая пена» смывает гигантскую космическую энергию
• Physics 12, 105
Теория предполагает, что пустое пространство заполнено огромной энергией, но, согласно новому предложению, эта энергия может быть скрыта, потому что ее эффекты нейтрализуются на мельчайших масштабах.
ScienceRF/picfair.com
Бурлит. В представлении этого художника пространство-время в масштабе Планка представляет собой квантовую пену. Новый анализ показывает, что, несмотря на то, что эта пена может иметь огромную энергию, она все же может напоминать вакуум с нулевой энергией в больших масштабах.ScienceRF/picfair.com
×
Многие теоретические подходы, работающие над квантовой теорией гравитации, предполагают, что все пространство-время должно быть заполнено энергией, которая в 10120 раз больше, чем позволяют наблюдения. Теоретики предлагали различные хитрости, чтобы заставить эту энергию исчезнуть, но новое предложение намекает на другой тип решения: энергия действительно огромна, но она не имеет крупномасштабного значения для космического расширения, потому что ее эффекты уравновешиваются на самых маленьких Весы.
В 1955 г. пионер теории относительности Джон Уилер из Принстонского университета, штат Нью-Джерси, утверждал, что в самых малых масштабах возможность определения длины, времени и энергии будет подчиняться принципу неопределенности [1]. Непрерывное пространство и время классической физики будут преобразованы в случайно флуктуирующее состояние, которое Уилер назвал «пеной пространства-времени». Пена будет существовать на так называемой планковской шкале, в режиме, где длина 10-35 метров, время 10-44 секунды, энергия 1019ГэВ. Эти масштабы характерны для начальных моментов большого взрыва.
Достижения в квантовой теории поля позволили анализировать пространственно-временную пену с большей степенью математической строгости, чем это было возможно во времена Уилера. Современные анализы предполагают, что вакуум, заполненный пространственно-временной пеной, может обладать огромной внутренней энергией. Такая энергия будет действовать как космологическая постоянная, фиксированный параметр, который можно добавить к уравнениям общей теории относительности.
Некоторые физики искали теоретические механизмы, которые позволили бы исчезнуть энергии вакуума планковского масштаба. Например, он может исчезнуть из-за полной компенсации положительных и отрицательных вкладов или из-за подавления, возникающего из-за поведения квантового поля в искривленном пространстве.
Но Стивен Карлип из Калифорнийского университета в Дэвисе предлагает другое предложение. Он отмечает, что уравнения общей теории относительности для пространства-времени с космологической постоянной имеют решения, которые либо расширяются, либо сжимаются экспоненциально со временем.
Карлип рассказывает о том, как может развиваться это пространство-время.
Это сложная проблема по двум причинам. На границах между различными областями кривизна пространства-времени сильно меняется на малых расстояниях, что затрудняет расчет ее эволюции во времени. А поскольку области имеют планковский масштаб, квантовые гравитационные эффекты, для которых не существует полной теории, нельзя игнорировать. Тем не менее, Карлип приводит некоторые аргументы, указывающие на то, что трехмерный срез этого пространства-времени будет продолжать вести себя как срез без вакуумной энергии. Один из способов представить себе этот процесс состоит в том, что по мере роста расширяющихся областей пространственно-временная пена постоянно пузырится в планковском масштабе, так что внутренности областей заполняются смесью расширяющихся и сжимающихся частей.
Томас Бюхерт, математический релятивист из Лионского университета, Франция, говорит, что, хотя это довольно схематично, предположение Карлипа правдоподобно, если предположить, что космологическая постоянная действительно возникает из квантовых флуктуаций.
Но Бухерт добавляет, что он не полностью убежден в процедуре усреднения, которую использует Карлип, и предполагает, что начальное состояние в модели может эволюционировать в пространство-время с эффективной космологической постоянной, которая меняется в больших масштабах, а не компенсируется.
Карлип признает, что его предложение требует дальнейшего развития, чтобы стать основой для строгой космологической модели, и что оно не касается происхождения темной энергии. Однако его точка зрения заключается в том, что когда дело доходит до решения проблемы огромной космологической постоянной, «мы, возможно, просто искали не в том месте».
Это исследование опубликовано в Physical Review Letters .
– Дэвид Линдли
Дэвид Линдли – независимый научный писатель из Александрии, штат Вирджиния.
Ссылки
- J.A. Wheeler, «Geons», Phys. 97 , 511 (1955).
- П. Бракс, «Что заставляет Вселенную ускоряться? Обзор того, какой может быть темная энергия и как ее проверить», — сообщил представитель Prog.
физ. 81 , 016902 (2017).
физ. 81 , 016902 (2017).Предметные области
Гравитация Частицы и поля
Статьи по теме
Частицы и поля
Последнее измерение Daya Bay
После почти девяти лет работы нейтринный эксперимент на реакторе Дайя-Бей обеспечил лучшее в мире измерение важного параметра физики элементарных частиц. Подробнее »
Частицы и поля
Распутывание влияния Солнца на космические лучи
Ядерная физика
Свойства тяжелых ароматов Получить обновление
Группа усреднения тяжелых ароматов опубликовала новые средние мировые значения свойств распадов частиц с «тяжелыми ароматами». понимание физики вкуса.
Подробнее »
Quantum Foam | Управление научной миссии
Квантовая пена. Это может звучать как название нового крафтового пива, но это нечто еще более удивительное.
Чтобы «увидеть» это, вам нужно нырнуть в кроличью нору квантовой механики — раздела физики, описывающего поведение света и материи в атомных масштабах. В этом причудливом царстве материя может находиться в двух местах одновременно; электроны могут вести себя и как частицы, и как волны; а кот Шредингера может быть одновременно и живым, и мертвым. По крайней мере, так говорят нам квантовые теоретики.
Их мир сильно отличается от мира Эйнштейна. В своей очень успешной общей теории относительности Эйнштейн говорит нам, что энергия равна массе, а масса искажает пространство-время. Помните физическую аналогию батута с шаром для боулинга посередине? Подобно тому мячу, который мягко искажает полотно батута, солнце искажает гладкое «полотно» пространства-времени настолько, что планеты движутся по искривленным орбитам.
Целая галактика искажает пространство-время гораздо сильнее. Чем массивнее тело, тем сильнее деформация. Но если бы мы могли приблизить квантовый мир, мы бы не увидели гладкое пространство холста, слегка искаженное массивными телами. Мы увидим квантовую пену.
Модели квантовой гравитации предсказывают, что пространство-время представляет собой кипящую пену крошечных областей, где мельчайшие новые измерения разворачиваются, а затем снова скручиваются, спонтанно появляясь и исчезая с невероятной скоростью. Эти области то появляются, то исчезают, как пузырьки в пене только что налитого пива. Нет такой вещи, как пустое пространство; повсюду только «квантовая пена». Таково пространство-время для квантового физика.
По словам Эрика Перлмана из Технологического института Флориды, «пузырьки» в квантовой пене в квадриллионы раз меньше атомных ядер и существуют бесконечно малые доли секунды — или, говоря «квантовым языком», размер Планковская длина для планковского времени.
По мнению струнных теоретиков, для этого требуются дополнительные шесть измерений. Само пространство-время колеблется в этих областях».
Но это все слухи. Мы не можем увидеть эту квантовую пену во всей ее странной красе.
Исследователи должны искать доказательства его действия, чтобы доказать его существование и определить его природу. Перлман и его коллеги недавно попытались сделать это, используя рентгеновские и гамма-наблюдения далеких квазаров с помощью рентгеновской обсерватории Чандра, космического гамма-телескопа Ферми и массива телескопов с очень высокой энергией радиационной визуализации, или VERITAS.
«Поскольку эти пузыри такие маленькие и существуют так короткое время, их никогда нельзя наблюдать напрямую», — говорит Перлман. «Но они повлияют на свет интересным образом».
Путь каждого фотона будет немного отличаться, поскольку он маневрирует через всепроникающие мириады крошечных флуктуаций, вспенивающих пространство-время. И, как следствие, расстояние, которое проходит каждый фотон, будет разным.
Перлман говорит, что «На космологических расстояниях, которые фотоны путешествуют от этих далеких источников, эффекты флуктуаций, с которыми сталкиваются фотоны, будут накапливаться. Чем больше их накапливается, тем больше будет свет в противофазе. Создание изображения из набора таких фотонов было бы похоже на попытку различить, что говорит один человек в огромной толпе говорящих. Так что получить четкое изображение было бы физически невозможно».
Но выводы Перлмана и его команды немного притормозили квантовую пену.
«Кажется, пространство-время должно быть гладким, по крайней мере, на уровне в 1000 раз меньше атома, а пространство-время должно быть гораздо менее пенистым, чем предсказывает большинство моделей».
«Но, — предупреждает он, — это исследование не идет так далеко, как планковская длина. Так что надежда на мельчайшие пузыри все еще есть».
Чтобы узнать больше о квантовой пене и других головокружительных исследованиях НАСА, следите за обновлениями на science.