Renate Loll ühendab universumid kvantgravitatsiooni avamiseks | Quanta ajakiri

Renate Loll on näinud universumeid, mis näeksid Doctor Strange'i õudusunenägusid. Ta on avastanud 3D-maailmu, tasandikke ja murdunud reaalsusi murdosa mõõtmetega. Ta on näinud õrnade kõveratega universumeid ja ägedate naastudega plahvatusohtlikke universumeid. Ta on olnud tunnistajaks igavesti laienevatele universumitele ja universumitele, milles kosmost ei eksisteeri.

Pärast seda, kui Loll on vaadanud neid ja lugematul hulgal teisi kosmilisi ajalugusid oma arvutite digitaalses mälus, ei pea Loll enam midagi enesestmõistetavaks – kindlasti mitte ruumi kolme dimensiooni ja ühe aja dimensiooni, mis moodustavad meie reaalsuse struktuuri. .

 "Miski pole ette määratud," ütles Loll, Hollandi Radboudi ülikooli teoreetiline füüsik.

Loll usub, et nende digitaalsete universumite hoolikas loendus võib avada kvantgravitatsiooni teatud aspektid - täpsema kvantteooria, mis arvatavasti on Einsteini ruumi, aja ja gravitatsiooni mõiste aluseks. Üldrelatiivsusteooria abil määratles Einstein gravitatsiooni - salapärase jõu - ruumi ja aja kuju tagajärjena. Kvantteooria põhiprintsiip viitab sellele, et see kujund ei ole ainult üks sirgjooneline geomeetria, vaid mõnes mõttes kõigi võimalike kujundite keskmine. Nendele eeldustele lisab Loll näiliselt ilmse nõude, et põhjused tulevad enne tagajärgi. Ta kahtlustab, et need kolm koostisosa – geomeetria, kvantteooria ja põhjuslikkus – on piisavad, et võimaldada reaalsuse põhistruktuuri jõhkra jõuga arvutusi – pole vaja silmuseid, stringe ega lisamõõtmeid.

Loll ja tema kaastöötajad on rohkem kui 20 aastat kulutanud digitaalsete kolmnurkade mustrite abil tegelikkusele lähenemiseks. Nende teooria, mida tuntakse põhjuslike dünaamiliste triangulatsioonidena, on näidanud, et kui ühendada palju võimalikke universumeid, saate luua kosmose, mis näeb välja meie omaga. Ta ja tema kaastöötajad on leidnud ka vihjeid, et väikestel skaalal võib aegruumil olla täiesti ootamatu struktuur - maailmade segunemise kvantsõrmejälg.

"See on esimene tõeline tõend selle kohta, et lühikeses skaalas on mittetriviaalne kvantstruktuur, millele ma poleks klassikaliselt kunagi mõelnud," ütles ta.

Loll, kes oli just nimega Hollandi Lõvi ordeni rüütel, kellega hiljuti vestles Quanta Magazine selle kohta, miks temast sai aegruumi simulaator, kuidas ta üldse loob kõik need võimalikud universumid ja kuhu võib kvantgravitatsiooni väli edasi liikuda. Intervjuu on koondatud ja selguse huvides toimetatud.

Mis tõmbas teid gravitatsiooni ja aegruumi struktuuri uurima?

Ma alustasin tegelikult mõne lõputööga majandusteaduses, kuid peagi tekkis koduigatsus füüsika järele, mida olin õppinud bakalaureuseõppes. Majandusteadus seisneb inimeste käitumise ennustamises. Kõrgenergia füüsika oma põhiseadustega on palju lihtsam.

Kuidas jõudsite kvantgravitatsiooni oma lähenemiseni?

Veetsin oma elust 10 aastat ahela kvantgravitatsioon programm. See oli alguses tõesti põnev, kuid pärast lugematuid äärmiselt formaalseid ja abstraktseid pliiats-paberil arvutusi hakkasin 1990. aastate alguses kadestama. muud rühmad kes tegid arvutis arvutusi tehes konkreetsemaid aegruumi uuringuid.

Need uuringud näitasid, et arvutid võivad uurida võimalikke aegruumi kvantstruktuure, kuid neil oli raskusi selliste ekspansiivsete ruumistruktuuride loomisega, nagu me näeme. Minu kolleeg Jan Ambjørn ja ma mõtlesin, kas probleem on selles, et nende uuringute kasutatud aegruumil oli ebareaalne "eukleidiline" geomeetria. Eukleidese aegruumid on ajatud. Neis on aeg, mis tavaliselt osutab ühes suunas, muudetud lihtsalt teiseks ruumimõõtmeks, millel puudub sisemine nool. Nii et neil mudelitel pole põhjuslikkuse mõistet – põhjuse nõue on enne tagajärge.

Võib-olla saaks metoodika päästa, mõtlesime, kui suudaksime tuua põhjusliku struktuuri aegruumi. Nii sündis meie põhjuslike dünaamiliste triangulatsioonide (CDT) teooria.

Mis on CDT? Mis mõttes on see kvantgravitatsiooni teooria?

CDT on raamistik, mille abil saab arvutada, milline geomeetria - ja millised tekstuurid aegruumi koes - peaksid kvantefektidest tekkima. Töötasime selle välja, küsides endalt: milline on minimaalne koostisosade kogum, mida vajame mõne huvitava aegruumi geomeetria loomiseks?

Kuidas arvutada aegruumi kanga kuju?

Järgime läbiproovitud tehnikat, mille abil häkkida teooria teatud arvu väikesteks tükkideks, et arvuti saaks sellega hakkama.

Kui lähendate aegruumi teooriat sel viisil, on kõige lihtsamad kujundid kolmnurgad, mille saate kokku liimida, et luua kumerat lõuendit. Kujutage ette kuue võrdkülgse kolmnurga liimimist ühe tipu ümber. See annab teile tüki tasast aegruumi. Nüüd eemaldage üks kolmnurk ja ühendage selle naabrite küljed. See annab teile koonuse - tüki kõverat aegruumi. Lisades või eemaldades igas punktis erineva arvu kolmnurki, saate jäädvustada mis tahes aegruumi kumerust.

Siis tuleb maagiline samm. Lased kujunditel suhelda nii klassikaliste kui ka kvantreeglite järgi.

Järgmisena muudate võre aina peenemaks, peaaegu nagu välja suumides, kuni kolmnurgad sulavad vormituteks punktideks. Kuna olete oma klassikalisesse teooriasse toonud kvantaspekte, võib tekkida midagi uut ja üsna ootamatut.

Milliseid kvantreegleid kasutate?

Kasutame universaalset protseduuri nn tee integraal et infundeerida Einsteini gravitatsiooni mingi kvantessentsiga. Teeintegraal viitab sellele, et universum, mida me näeme, on tõesti kõigi võimalike aegruumi kujude kvantkombinatsioon, "superpositsioon". See on kvantkomponent.

Kolmnurgad annavad meile võimaluse selle protsessiga hakkama saada. Ideaalis liidaksime kokku kõik võimalikud viisid kolmnurkade kokkuliimimiseks, esindades kõiki võimalikke ajalugusid, mida universum võiks võtta. Kuid see on võimatu, seega lähendame seda, genereerides palju juhuslikke kolmnurkade konfiguratsioone, et saada aimu, millised universumid on kõige tõenäolisemad. Me ei olnud esimesed, kes midagi sellist proovisid, kuid olime esimesed, kes said protseduuri, et sülitada välja universum, mis näeb välja nagu meie oma.

 Mis eristab CDT-d teistest aegruumi lähendamise katsetest?

Põhjuslik osa! Nagu mainisin, töötasid teised rühmad ajatus "eukleidilises" ruumis. See muudab tee integraali tehnilistel põhjustel hõlpsamini arvutatavaks, kuid maksate kummaliste geomeetriate lisamise eest, mis võimaldavad teil ajas rännata ja rikkuda põhjuslikku seost.

Tahtsime hoida aega ja aegruumi põhjuslikku struktuuri. Selle asemel, et lõigata oma kolmnurgad välja eukleidilisest ruumist, kus on vähem struktuuri, lõikame need välja tavapärasest aegruumist, millel on eriline ajasuund.

Kui olete selle skeemi peale jõudnud, kuidas teadsite, kas see töötab?

A esialgne arvutus 1998. aastal näitas, et põhjuslikkuse säilitamise tulemuseks oli põhimõtteliselt erinev teooria. See andis meile julgust jätkata. Järgmise mitme aasta jooksul töötasime 3D-simulatsioonideni, kasutades tetraeedreid.

Lõpuks jõudsime 4D-ni – mis on meie jaoks eriti aktuaalne, kuna elame kolmes ruumi- ja ühes ajamõõtmes – aastal 2004. Seejärel hoidsime hinge kinni ja tegime simulatsioone.

Ja?

Mida me nägime? Esialgu mitte midagi. Mõõtme mõiste võib olla peen, kuid üks viis selle aimu saamiseks on lisada üha rohkem 4D-kolmnurki – kõigepealt 50,000 100,000, siis 200,000 XNUMX, siis XNUMX XNUMX – ja vaadata, kuidas kolmnurkade kollektiivse parve kuju kasvab.

Kui me seda tegime, leidsime, et kari kasvab täpselt nii, nagu see oleks ühe ajasuunaga 3D-universum. Seda polnud kunagi varem nähtud. Võib tunduda ilmselge, et 4D-ehitusplokid võivad luua 4D-universumi, kuid see pole nii. Varasemad katsed eukleidilises ruumis olid tekitanud veidraid ruume, kus kolmnurgad koondusid kortsus pallideks või venisid välja nöörideks – neil ei olnud üldse mingit struktuuri, mida me suurte ruumimõõtmetena tunnistaksime. Kuid millegipärast olid Einsteini gravitatsiooniteooria, tee integraal ja põhjuslik seos pannud ehitusplokid paigutama end meiesugusesse ekspansiivsesse 4D universumisse. Siis võiksime tõesti väita, et laiendatud universum võiks seda teha tuleneda esimestest põhimõtetest.

See kõlab julgustavalt, kuid me juba teadsime, et aegruum peaks olema 4D. Kas CDT teeb mingeid ennustusi?

See teeb! Me ennustasime, et kui suumida piisavalt kaugele, kaotab aegruum oma 4D olemuse. Selle nägemiseks peate uurima teist tüüpi dimensiooni, difusiooniga paljastatud dimensiooni. Näiteks levib tinditilk 2D-lehel erinevalt kui 3D-veeklaasis, nii et difusiooni vaadates saate aimu, millises ruumis viibite.

Siin leidsime märkimisväärse tulemuse. Kui simuleerisime oma 4D-universumis tinditilga vabanemist, levis see laiali, nagu oleks see umbes 2D-ruumi kinni jäänud – ehkki vaid mõneks hetkeks. Kui tal on aega edasi levida, levib see tavalisel viisil.

Kuid see pole nii, et see levib sõna otseses mõttes läbi lameda lina. Pigem tundub, et aegruumi kvantstruktuur väga lühikestel vahemaadel on fraktaalilaadne. See tähendab, et ruum on täielikult täidetud, kuid see on ühendatud nii, et selle teatud osad ei ole alguses nii ligipääsetavad kui teised. Siin on meil mikrostruktuur, millel on kvantjälg, kuid kui välja suumida, näeb kõik korras ja 4D-na. Hurraa!

See on naljakas, tegelikult. Algselt pidin oma kaastöötajaid veenma, et see võib olla potentsiaalselt oluline tulemus, ja nüüd on see nii meie enim tsiteeritud paber.

Kas see on ennustus, mida võiksite tegelikkuses testida?

See on ehtne kvantsignatuur, kuid me ei tea veel, kus, kui kuskil, saaksime seda jälgida.

Plancki skaala pisikeste kauguste vahel, kus aegruumi kvantloomus peaks ilmselgeks saama, ja skaala vahel, millele me katsetes ligi pääseme, on kolossaalne lõhe. Mis on meie parim võimalus leida kohti, kus väikesed efektid saavad piisavalt suureks, et meiesugused hiiglased neid tuvastada? Tõenäoliselt on see astrofüüsika ja me töötame välja, millised võivad olla CDT tagajärjed.

Kui CDT-l on olnud edu meie universumiga näivate tunnuste arvutamisel, siis miks arvate, et kvantgravitatsiooni kogukond pole seda meetodit omaks võtnud?

Üks aspekt, mida on alati olnud raske müüa, on idee, et kvantgravitatsiooni mõistmiseks peate kasutama numbrilisi meetodeid. Klassikaline üldrelatiivsusteooria on ilus teooria. Teie üleskirjutatavatel võrranditel on keeruline, kuid kompaktne vorm. Inimesed on ära hellitatud matemaatilisest ilust ja võimest teha mõningaid lihtsaid asju analüütiliselt.

Kuid realistlikult, kui soovite kirjeldada olukordi, kus gravitatsioon on tugev, ei saa te seda teha lihtsate võrranditega. Numbrilised meetodid, nagu meie triangulatsioonid, toimivad kvantgravitatsioonimudelite mõistuse kontrollina.

Kas arvate, et lihtsate ja ilusate teooriate otsimine on ummiktee?

See võib olla. Kogukonda on aastaid juhtinud kõige-teooria-lähenemine, mille kohaselt peaks suutma kirja panna ühe valemi, millest kõik muu tuleneb. Nüüd mõtlen, kas see on tõesti realistlik ootus?

Oleme rikutud tänapäevaste teooriate sirgjoonelisusest. Kui uurite näiteks kvantväljateooriaid, on teil osakeste kontseptsioon. Elektromagnetilist jõudu kandva footoni jaoks on see piisavalt lähedal. See ei ole sõna otseses mõttes väike pall, kuid meil on masinad, mis suudavad tuvastada natuke kohalikku energiat. Detektor teeb klõpsu ja ongi footon.

Kuid kas graviton – gravitatsioonijõu hüpoteetiline kandja – eksisteerib samamoodi? Freeman Dyson vaidlesid et üksikuid gravitoneid võib olla võimatu tuvastada. Footondetektori kõige sirgjoonelisem gravitatsiooniline analoog oleks nii massiivne, et vajuks enne ühe gravitoni leidmist mustaks auguks. Võib-olla ei eksisteeri üksikud gravitonid täpselt samamoodi nagu üksikud footonid. Võib-olla palume looduselt liiga palju.

Kui me siseneme a post-string, post-loop etapp kvantgravitatsiooniuuringutest, nagu olete kirjutanud, mis etapp see on?

Stringiteooria tekitas meile rikkuse häbi. See tuli määratleda 11 dimensioonis ja vajas palju avastamata osakesi, et see oleks järjepidev. See on ilus tööriistakast, mis on meile nii palju andnud, sealhulgas puhta matemaatika edendamise. Kuid need eksootilised ideed pole meid ainulaadse kvantgravitatsiooni teooria leidmise osas tegelikult kuhugi viinud.

Ma tajun kogukonnas uut alandlikkust. Olles teinud need ekskursioonid silmuste, stringide ja muude laiendatud objektide väga rikkalikesse ja eksootilistesse raamistikesse, kus me ühel või teisel viisil takerdusime, hakkame uuesti avastama kvantväljateooria ilu. Ja CDT on osa sellest põhitõdede juurde naasmise suundumusest.