Ренате Лолл смешивает вселенные, чтобы раскрыть квантовую гравитацию | Журнал Кванта

Ренате Лолл видела вселенные, которые вызвали бы у Доктора Стрэнджа кошмары. Она исследовала трехмерные миры, равнины и расколотые реальности с дробными размерами. Она видела вселенные с плавными изгибами и вселенные, взрывающиеся яростными шипами. Она была свидетелем вечно расширяющихся вселенных и вселенных, в которых не существует пространства.

После наблюдения за этими и бесчисленным количеством других космических историй, разыгрываемых в цифровой памяти ее компьютеров, Лолл больше ничего не воспринимает как должное — уж точно не банальные три измерения пространства и одно измерение времени, которые составляют ткань нашей реальности. .

 «Ничто не предопределено, — сказал крениться, физик-теоретик из Университета Радбауд в Нидерландах.

Лолл считает, что тщательное изучение этих цифровых вселенных может раскрыть некоторые аспекты квантовой гравитации — более точной квантовой теории, которая предположительно лежит в основе представлений Эйнштейна о пространстве, времени и гравитации. В общей теории относительности Эйнштейн определил гравитацию — таинственную силу — как следствие формы пространства и времени. Основной принцип квантовой теории предполагает, что эта форма — не просто одна простая геометрия, а в некотором смысле среднее значение всех возможных форм. К этим предположениям Лолл добавляет кажущееся очевидным требование о том, что причины предшествуют следствиям. Она подозревает, что этих трех ингредиентов — геометрии, квантовой теории и причинно-следственной связи — достаточно, чтобы сделать возможным грубый расчет фундаментальной структуры реальности — без петель, струн или дополнительных измерений.

Лолл и ее сотрудники провели более 20 лет, приближаясь к реальности, используя модели цифровых треугольников. Их теория, известная как каузальная динамическая триангуляция, показала, что если смешать вместе множество возможных вселенных, можно создать космос, очень похожий на наш. Она и ее сотрудники также обнаружили намеки на то, что в крошечных масштабах пространство-время может иметь совершенно неожиданную структуру — квантовый отпечаток смешения миров.

«Это первое подлинное свидетельство существования нетривиальной квантовой структуры на коротких масштабах, о которой я никогда бы не подумала в классическом понимании», — сказала она.

Лол, который был только что назвал Рыцарь Ордена Нидерландского Льва, недавно говорил с Quanta Magazine о том, почему она стала симулятором пространства-времени, как она вообще создает все эти возможные вселенные и куда дальше может пойти поле квантовой гравитации. Интервью было сокращено и отредактировано для ясности.

Что привело вас к изучению гравитации и структуры пространства-времени?

На самом деле я начал с какой-то дипломной работы по экономике, но вскоре мне стало скучно по физике, которую я изучал на бакалавриате. Экономика занимается прогнозированием поведения людей. Физика высоких энергий с ее фундаментальными законами намного проще.

Как вы пришли к тому, чтобы запустить собственный подход к квантовой гравитации?

Я провел 10 лет своей жизни в петля квантовой гравитации программа. Поначалу это было очень увлекательно, но после бесчисленных чрезвычайно формальных и абстрактных расчетов ручкой на бумаге в начале 1990-х я начал завидовать другие группы которые проводили более конкретные исследования пространства-времени, выполняя вычисления на компьютере.

Эти исследования показали, что компьютеры могут исследовать возможные квантовые структуры пространства-времени, но они изо всех сил пытались создать обширную ткань пространства, подобную той, которую мы видим. Мой коллега Ян Амбьорн и я задавался вопросом, не была ли проблема в том, что пространство-время, которое использовали эти исследования, имело нереалистичную «евклидову» геометрию. Евклидово пространство-время вне времени. В них время, обычно указывающее в одном направлении, превратилось просто в другое измерение пространства, не имеющее внутренней стрелы. Таким образом, в этих моделях нет никакого понятия причинности — требования, чтобы причина предшествула следствию.

Возможно, методологию можно было бы спасти, подумали мы, если бы мы смогли внести каузальную структуру в пространство-время. Так родилась наша теория каузальных динамических триангуляций (CDT).

Что такое ЦДТ? В каком смысле это теория квантовой гравитации?

CDT — это основа для расчета того, какая геометрия — и какие текстуры в ткани пространства-времени — должны возникать в результате квантовых эффектов. Мы разработали его, задав себе вопрос: каков минимальный набор ингредиентов, необходимых для создания интересной геометрии пространства-времени?

Как рассчитать форму ткани пространства-времени?

Мы следуем проверенной технике разбивания теории на фиксированное количество маленьких кусочков, чтобы компьютер мог с ней справиться.

Когда вы таким образом аппроксимируете теорию пространства-времени, самые простые формы для использования — это треугольники, которые вы можете склеить, чтобы получился изогнутый холст. Представьте, что вокруг одной вершины склеены вместе шесть равносторонних треугольников. Это дает вам кусок плоского пространства-времени. Теперь удалите один треугольник и соедините стороны его соседей. Это дает вам конус — кусок искривленного пространства-времени. Добавляя или удаляя разное количество треугольников в каждой точке, вы можете зафиксировать любую кривизну пространства-времени.

Затем следует волшебный шаг. Вы позволяете формам взаимодействовать в соответствии как с классическими, так и с квантовыми правилами.

Затем вы делаете решетку все тоньше и тоньше, как будто вы уменьшаете масштаб, пока треугольники не растворятся в бесформенных точках. Поскольку вы ввели квантовые аспекты в свою классическую теорию, может появиться что-то новое и совершенно неожиданное.

Какие квантовые правила вы используете?

Мы используем универсальную процедуру, называемую интеграл по путям наполнить гравитацию Эйнштейна какой-то квантовой сущностью. Интеграл по путям предполагает, что вселенная, которую мы видим, на самом деле является квантовой комбинацией, «суперпозицией» всех возможных пространственно-временных форм. Это квантовый ингредиент.

Треугольники дают нам возможность управлять этим процессом. В идеале мы бы сложили все возможные способы склеивания треугольников вместе, представляя все возможные истории, которые может пройти Вселенная. Но это невозможно, поэтому мы аппроксимируем его, создавая множество случайных конфигураций треугольников, чтобы понять, какие вселенные наиболее вероятны. Мы не были первыми, кто пробовал что-то подобное, но мы были первыми, кто получил процедуру, позволяющую создать вселенную, которая выглядит примерно как наша.

 Что отличает CDT от других попыток аппроксимации пространства-времени?

Причинная часть! Как я уже упоминал, другие группы работали во вневременном «евклидовом» пространстве. Это упрощает вычисление интеграла по путям по техническим причинам, но вы платите цену за включение странных геометрий, которые позволят вам путешествовать во времени и нарушать причинно-следственные связи.

Мы хотели сохранить время и причинную структуру пространства-времени. Вместо того, чтобы вырезать наши треугольники из евклидова пространства, где меньше структуры, мы вырезаем их из обычного пространства-времени, которое имеет особое временное направление.

Как только вы наткнулись на эту схему, как вы узнали, что она работает?

A предварительный расчет в 1998 году показали, что сохранение причинно-следственной связи действительно привело к принципиально иной теории. Это придало нам смелости продолжать. В течение следующих нескольких лет мы работали над трехмерным моделированием с использованием тетраэдров.

В 4 году мы наконец добрались до 2004D — что особенно актуально для нас, поскольку мы живем в трех измерениях пространства и одном измерении времени. Тогда мы затаили дыхание и запустили симуляции.

А также?

Что мы увидели? Сначала ничего. Понятие размерности может быть тонким, но один из способов получить представление о нем — добавлять все больше и больше четырехмерных треугольников — сначала 4 50,000, затем 100,000 200,000, затем XNUMX XNUMX — и смотреть, как растет форма коллективного множества треугольников.

Когда мы это сделали, мы обнаружили, что стая растет точно так же, как если бы это была трехмерная вселенная с одним направлением времени. Такого раньше никогда не видели. Может показаться очевидным, что строительные блоки 3D могут создать 4D вселенную, но это не так. Предыдущие попытки в евклидовом пространстве привели к странным пространствам, где треугольники сгруппированы в скомканные шары или вытянуты в волокнистую паутину — у них вообще не было никакой структуры, которую мы могли бы распознать как большие пространственные измерения. Но каким-то образом эйнштейновская теория гравитации, интеграл по траекториям и причинность уговорили строительные блоки выстроиться в такой обширной четырехмерной вселенной, как наша. Тогда мы действительно могли бы заявить, что расширенная Вселенная может исходить из первых принципов.

Звучит обнадеживающе, но мы уже знали, что пространство-время должно быть четырехмерным. Делает ли CDT какие-либо прогнозы?

Оно делает! Мы предсказывали, что если вы достаточно сильно увеличите масштаб, пространство-время потеряет свою четырехмерную природу. Чтобы увидеть это, вы должны изучить другое измерение, измерение, открываемое диффузией. Например, капля чернил распространяется по 4D-странице иначе, чем по 2D-стеклу с водой, поэтому, глядя на диффузию, вы можете понять, в каком пространстве вы находитесь.

Здесь мы получили замечательный результат. Когда мы смоделировали высвобождение капли чернил в нашей 4D-вселенной, она распространилась так, как будто застряла примерно в 2D-пространстве, хотя и всего на несколько мгновений. Как только у него есть время распространиться дальше, он распространяется обычным образом.

Но это не похоже на то, что он буквально распространяется через плоский лист. Скорее квантовая структура пространства-времени на очень коротких расстояниях подобна фракталу. То есть пространство полностью заполнено, но устроено так, что некоторые его части изначально не так доступны, как другие части. Здесь у нас есть микроструктура с квантовым отпечатком, но если уменьшить масштаб, то все выглядит нормально и 4D. Ура!

Это смешно, на самом деле. Сначала мне пришлось убедить своих сотрудников, что это может быть потенциально важным результатом, и теперь это наша самая цитируемая статья.

Это предсказание, которое вы могли бы надеяться проверить в реальности?

Это настоящая квантовая сигнатура, но мы пока не знаем, где и где мы могли бы ее наблюдать.

Существует колоссальный разрыв между крошечными расстояниями планковского масштаба, где квантовая природа пространства-времени, как ожидается, станет очевидной, и масштабом, к которому мы можем получить доступ в экспериментах. Как лучше всего найти места, где крошечные эффекты взрываются настолько, что их могут обнаружить такие гиганты, как мы? Вероятно, это астрофизика, и мы также выясняем, какие могут быть последствия CDT.

Если CDT добился некоторого успеха в вычислении характеристик, которые, кажется, соответствуют нашей Вселенной, почему, по вашему мнению, сообщество квантовой гравитации не приняло этот метод?

Один аспект, который всегда было трудно продать, — это идея о том, что для понимания квантовой гравитации необходимо использовать численные методы. Классическая общая теория относительности — прекрасная теория. Уравнения, которые вы записываете, имеют сложную, но компактную форму. Люди избалованы математической красотой и способностью делать некоторые простые вещи аналитически.

Но на самом деле, если вы хотите описать ситуации с сильной гравитацией, вы не сможете сделать это с помощью простых уравнений. Численные методы, такие как наша триангуляция, служат проверкой работоспособности моделей квантовой гравитации.

Думаете, поиск простых, красивых теорий — тупиковый путь?

Возможно. В течение многих лет сообщество руководствовалось подходом теории всего, что вы должны быть в состоянии записать одну формулу, из которой следует все остальное. Теперь мне интересно, действительно ли это реалистичное ожидание?

Мы избалованы тем, насколько прямолинейны современные теории. Например, когда вы изучаете квантовые теории поля, у вас есть понятие частицы. Для фотона, несущего электромагнитную силу, это достаточно близко. Это не буквально маленький мячик, но у нас есть машины, которые могут обнаружить локальную энергию. Детектор издает щелчок, и это фотон.

Но существует ли так же и гравитон — гипотетический носитель гравитационной силы? Фримен Дайсон продемонстрировав тем самым что может оказаться невозможным обнаружить отдельные гравитоны. Самый простой гравитационный аналог детектора фотонов был бы настолько массивным, что схлопнулся бы в черную дыру, прежде чем нашел бы хоть один гравитон. Возможно, отдельные гравитоны не существуют в той конкретной форме, в которой существуют отдельные фотоны. Может быть, мы слишком многого требуем от природы.

Если мы входим в постструнная, постпетлевая стадия исследования квантовой гравитации, как вы написали, на каком этапе?

Теория струн дала нам смущение богатства. Это должно было быть определено в 11 измерениях и нуждалось в большом количестве неоткрытых частиц, чтобы сделать его последовательным. Это прекрасный набор инструментов, который дал нам так много, в том числе развитие чистой математики. Но эти экзотические идеи на самом деле никуда не привели нас с точки зрения создания уникальной теории квантовой гравитации.

Я чувствую новое смирение в обществе. После этих экскурсий в очень богатые и экзотические структуры петель, струн и других расширенных объектов, где мы так или иначе застряли, мы начинаем заново открывать для себя красоту квантовой теории поля. И CDT является частью этой тенденции возврата к основам.