Renate Loll 混合宇宙以解锁量子引力 | 广达杂志

Renate Loll 见过的宇宙会让奇异博士做噩梦。 她探索了 3D 世界、平原和具有分数维度的破碎现实。 她见过具有柔和曲线的宇宙和具有猛烈尖峰的宇宙。 她目睹了永恒膨胀的宇宙和空间不存在的宇宙。

在观看了这些以及无数其他宇宙历史在她计算机的数字内存中上演之后，洛尔不再认为任何事情都是理所当然的——当然不是构成我们现实结构的单调的三维空间和一维时间.

 “没有什么是注定的，”说 LOLL，荷兰拉德堡德大学理论物理学家。

洛尔认为，对这些数字宇宙进行仔细的普查可以解开量子引力的某些方面——更精确的量子理论可能是爱因斯坦空间、时间和引力概念的基础。 根据广义相对论，爱因斯坦将引力——一种神秘的力——定义为空间和时间形状的结果。 量子理论的核心原则表明，这种形状不仅仅是一种简单的几何形状，而且在某种意义上是所有可能形状的平均值。 对于这些假设，洛尔添加了一个看似显而易见的要求，即原因先于结果。 她怀疑这三个要素——几何学、量子理论和因果关系——足以对现实的基本结构进行蛮力计算——不需要循环、字符串或额外的维度。

Loll 和她的合作者花了 20 多年时间使用数字三角形模式来逼近现实。 他们的理论被称为因果动力学三角测量，表明如果将多个可能的宇宙混合在一起，就可以产生一个看起来很像我们的宇宙。 她和她的合作者还发现了一些迹象，表明在微小的尺度上，时空可能具有完全出乎意料的结构——世界融合的量子指纹。

她说：“这是第一个真正的证据，证明在小尺度上存在非平凡的量子结构，这在经典上是我从未想过的。”

大声笑，谁是 刚刚命名 荷兰狮勋章骑士，最近与 广达杂志 关于她为什么成为时空模拟器，她是如何创造所有这些可能的宇宙，以及量子引力场下一步可能走向何方。 为清楚起见，对访谈进行了压缩和编辑。

是什么吸引您研究引力和时空结构？

我实际上是从经济学的一些研究生工作开始的，但我很快就想念我本科时学过的物理学。 经济学是关于预测人们的行为。 具有基本定律的高能物理学要简单得多。

您是如何开始采用自己的量子引力方法的？

我在这度过了我生命中的 10 年 循环量子引力 程序。 起初这真的很令人兴奋，但在做了无数次极其正式和抽象的纸上计算之后，在 1990 年代初期我开始羡慕 其他团体 他们通过在计算机上进行计算来对时空进行更具体的研究。

这些研究表明，计算机可以探测可能的时空量子结构，但它们难以产生像我们所看到的那样广阔的空间结构。 我的同事 简·安比约恩 我想知道问题是否在于这些研究使用的时空具有不切实际的“欧几里得”几何。 欧几里得时空是永恒的。 在它们中，通常指向一个方向的时间已经转变为空间的另一个维度，没有内在的箭头。 所以这些模型没有任何因果关系的概念——原因先于结果的要求。

我们认为，如果我们能够将因果结构带入时空，或许可以挽救该方法论。 这就是我们的因果动力三角测量 (CDT) 理论诞生的原因。

什么是CDT？ 在什么意义上它是量子引力理论？

CDT 是一个框架，用于计算哪些几何形状——以及时空结构中的哪些纹理——应该由量子效应产生。 我们通过问自己来开发它：我们需要什么最少的成分来产生一些有趣的时空几何？

如何计算时空结构的形状？

我们遵循久经考验的技术，将理论分解成固定数量的小片段，以便计算机可以处理它。

当您以这种方式近似时空理论时，最简单的形状是三角形，您可以将它们粘合在一起以制作弯曲的画布。 想象一下，围绕一个顶点将六个等边三角形粘合在一起。 这给了你一块平坦的时空。 现在删除一个三角形并连接其邻居的边。 这给了你一个圆锥——一块弯曲的时空。 通过在每个点添加或删除不同数量的三角形，您可以捕获任何时空曲率。

然后是神奇的一步。 你让形状根据经典规则和量子规则相互作用。

接下来，您将格子变得越来越细，几乎就像您正在缩小一样，直到三角形融化成无形的点。 因为你已经将量子方面引入到你的经典理论中，一些新的和非常出人意料的东西可能会出现。

您使用哪些量子规则？

我们使用一个称为 路径积分 为爱因斯坦的引力注入一些量子本质。 路径积分表明，我们看到的宇宙实际上是所有可能时空形状的量子组合，即“叠加”。 这就是量子成分。

三角形为我们提供了一种处理该过程的方法。 理想情况下，我们将把三角形粘合在一起的所有可能方式加起来，代表宇宙可能经历的所有可能历史。 但这是不可能的，所以我们通过生成大量随机的三角形配置来近似它，以了解最有可能出现哪些宇宙。 我们不是第一个尝试这样的事情的人，但我们是第一个通过程序吐出一个看起来像我们的宇宙的人。

 什么使 CDT 与其他近似时空的尝试不同？

因果部分！ 正如我提到的，其他团队曾在永恒的“欧几里德”空间中工作。 由于技术原因，这使得路径积分更容易计算，但你付出了包含怪异几何形状的代价，这些几何形状会让你穿越时间并违反因果关系。

我们想保留时间和时空的因果结构。 我们不是从结构较少的欧几里得空间中切出三角形，而是从具有特殊时间方向的正常时空中切出它们。

一旦你想到了这个方案，你怎么知道它是否有效？

A 初步计算 1998 年表明，保持因果关系确实导致了一个根本不同的理论。 这给了我们继续下去的勇气。 在接下来的几年里，我们一直致力于使用四面体进行 3D 模拟。

我们终于在 4 年达到了 2004D——这对我们来说尤其重要，因为我们生活在空间的三个维度和时间的一个维度中。然后我们屏住呼吸并运行了模拟。

和？

我们看到了什么？ 一开始什么都没有。 维度的概念可能很微妙，但了解它的一种方法是添加越来越多的 4D 三角形——首先是 50,000，然后是 100,000，然后是 200,000——然后看看三角形群的形状如何增长。

当我们这样做时，我们发现羊群的生长就像是一个具有一个时间方向的 3D 宇宙。 这是以前从未见过的。 4D 积木可以产生 4D 宇宙，这听起来很明显，但事实并非如此。 之前在欧几里德空间中的尝试产生了奇怪的空间，其中三角形聚集成皱巴巴的球或伸展成细丝网——它们根本没有任何我们认为是大空间维度的结构。 但不知何故，爱因斯坦的引力理论、路径积分和因果关系诱使这些构建块自行排列在像我们这样的广阔 4D 宇宙中。 那么我们真的可以宣称一个扩展的宇宙可以 从第一原则中脱颖而出.

这听起来令人鼓舞，但我们已经知道时空应该是 4D 的。 CDT 有预测吗？

确实如此！ 我们预测，如果你放大得足够远，时空就会失去其 4D 特性。 要看到它，你必须研究另一种空间，扩散所揭示的空间。 例如，一滴墨滴在 2D 页面上的扩散与在 3D 水玻璃中的扩散不同，因此通过观察扩散，您可以了解您所处的空间类型。

在这里，我们发现了一个了不起的结果。 当我们在 4D 宇宙中模拟墨滴的释放时，它会扩散开来，就好像它停留在一个大致的 2D 空间中一样——尽管只有几个瞬间。 一旦有时间进一步传播，它就会以正常方式传播。

但这并不是真的通过平板传播。 更像是在很短距离内的时空量子结构是分形的。 也就是说，空间已完全填满，但它的连接方式使得它的某些部分最初不像其他部分那样容易接近。 这里我们有一个带有量子印记的微观结构，但如果你缩小，一切看起来都很好，而且是 4D。 万岁！

实际上，这很有趣。 我最初不得不说服我的合作者这可能是一个潜在的重要结果，现在 我们被引用次数最多的论文.

这是您希望在现实中检验的预测吗？

这是一个真正的量子签名，但我们还不知道在哪里，如果有的话，我们可以观察到它。

普朗克尺度的微小距离与我们在实验中可以达到的尺度之间存在巨大差距，普朗克尺度的微小距离预计时空的量子性质将变得明显。 我们最好的选择是什么才能找到微小效应被放大到足以让像我们这样的巨人检测到的地方？ 这可能是天体物理学，我们正在研究 CDT 可能产生的后果。

如果 CDT 在计算似乎与我们的宇宙相匹配的特征方面取得了一些成功，您认为为什么量子引力社区没有接受这种方法？

一直难以推销的一个方面是您需要采用数值方法来理解量子引力的想法。 经典广义相对论是一个美丽的理论。 您写下的方程式具有复杂但紧凑的形式。 人们被数学之美和能够分析地做一些简单的事情宠坏了。

但实际上，如果你想描述引力很强的情况，你不能用简单的方程来完成。 数值方法，如我们的三角测量，可作为对量子引力模型的健全性检查。

你认为寻找简单、美丽的理论是死胡同吗？

它可能是。 多年来，社区一直受到万物理论方法的推动，你应该能够写下一个公式，其他一切都遵循这个公式。 现在我想知道，这真的是一个现实的期望吗？

我们被现代理论的简单明了宠坏了。 例如，当你研究量子场论时，你有粒子的概念。 对于携带电磁力的光子来说，它已经足够近了。 它不是字面上的小球，但​​我们有可以检测局部能量的机器。 探测器发出咔嗒声，那是一个光子。

但是引力子——引力的假设载体——是否以同样的方式存在？ 弗里曼·戴森 争论 可能无法检测到单个引力子。 光子探测器最直接的引力模拟将是如此巨大，以至于它在找到单个引力子之前会坍缩成黑洞。 也许单个引力子并不像单个光子那样以同样具体的方式存在。 也许我们对大自然要求太多了。

如果我们进入一个 串后、循环后阶段 量子引力研究，正如你所写，那是什么阶段？

弦理论给了我们财富的尴尬。 它必须在 11 个维度中定义，并且需要大量未被发现的粒子才能使其保持一致。 这是一个美丽的工具箱，给了我们很多东西，包括纯数学的进步。 但这些奇特的想法并没有真正带领我们找到独特的量子引力理论。

我在社区中感受到一种新的谦逊。 在对循环、字符串和其他扩展对象的非常丰富和奇异的框架进行了这些探索之后，我们以一种或另一种方式陷入困境，我们开始重新发现量子场论的美。 而 CDT 正是这种返璞归真的趋势的一部分。