Der theoretische Physiker Joseph Polchinsky von der University of California in Santa Barbara sagte das Jahr des Abschlusses der Schaffung der Quantentheorie der Schwerkraft voraus. Laut dem Wissenschaftler wird dies 2131 geschehen und auf der Stringtheorie basieren, die die überwiegende Mehrheit der modernen Physiker und Mathematiker als einzigen Kandidaten für die Rolle der "Theorie von allem" anerkennt. Polchinsky, Preisträger des Fundamental Physics Prize des russischen Unternehmers Yuri Milner, erläuterte seine Überlegungen in einem Preprint auf der Website arXiv.org.
Während des Entwicklungsprozesses untersuchte die Physik immer kleinere Entfernungsskalen und immer größere Energieskalen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erhielten Wissenschaftler ihre ersten Ideen zu Phänomenen auf atomarer Ebene. Inzwischen haben Physiker Zugang zu Skalen von zehn bis minus siebzehnten Zentimetern, was Experimenten am Large Hadron Collider entspricht, die es ermöglichten, das Higgs-Boson zu entdecken. Polchinsky verglich die Stadien und Entwicklungsraten der Physik im 20. und frühen 21. Jahrhundert und sagte voraus, dass die Quantentheorie der Schwerkraft bis 2131 endgültig formuliert sein würde. Zu diesem Zweck untersuchte der Wissenschaftler die Entwicklung der Physik in den letzten hundert Jahren und verglich die Errungenschaften der Menschheit bestimmter Energieskalen mit der Zeit dieses Ereignisses.
1899 berücksichtigte der deutsche Physiker Max Planck die nach ihm benannte Länge, die sich aus Grundkonstanten (Plancksche Konstante, Gravitationskonstante und Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) zusammensetzt und zehn bis minus dreiunddreißig Zentimetern entspricht. Gegenwärtig wird dieser Wert als unerreichbare Skala für moderne Experimente angesehen, auf denen die Stringtheorie beruht. Die Skala von zehn Zentimetern bis zur minus siebzehnten Potenz von Zentimetern auf einer logarithmischen Skala entspricht der Mitte der Entfernung. Dementsprechend bleibt vor der Schaffung der "Theorie von allem" dieselbe Zeit wie 116 Jahre seit Einführung der Planck-Länge in die Wissenschaft vergangen sind.
Längenskala.
Die geringe Planck-Länge ermöglicht es Polchinsky, das notwendige "Verschmieren" von Wechselwirkungen bereitzustellen, was die Nicht-Renormalisierbarkeit (Unmöglichkeit der Beseitigung von Divergenzen) der Gravitationstheorie erklärt. Somit sind der SM und die drei von ihm beschriebenen fundamentalen Wechselwirkungen (elektromagnetisch, schwach und stark) renormierbar, während sich die durch naive Quantisierung erhaltene Version der Quantengravitation (dh nach demselben Rezept wie die klassische Feldtheorie) bereits in der zweiten Ordnung der Störungstheorie herausstellt abweichend.
Laut Polchinsky werden auf der Planck-Skala Raum-Zeit-Schwankungen signifikant. Sie bilden den sogenannten Raum-Zeit-Schaum und liefern die beobachtete Divergenz der naiven Version der Quantengravitation. Als historisches Beispiel zitiert der Wissenschaftler die Theorie von Enrico Fermi, die die schwache Wechselwirkung qualitativ gut beschrieb, aber nicht renormierbar war.
Erst nachdem Steven Weinberg, Sheldon Glashow und Abdus Salam eine renormierbare elektroschwache Theorie entwickelt hatten, die elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen kombiniert und elektroschwache Zwischenbosonen einführt, wurde klar, dass Fermis Theorie eine energiearme Annäherung an ein anderes, allgemeineres Modell (in diesem Fall das elektroschwache) ist. … Polchinsky glaubt, dass dies auch mit der Quantengravitation geschehen wird.
Joseph Polchinsky.
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Polchinsky verbindet die Einzigartigkeit der Dynamik der Stringtheorie mit dem Vorhandensein nur eines Parameters, der zur Beschreibung der Natur erforderlich ist - der sogenannten String-Konstante. Inzwischen hat die "Theorie von allem" nach Ansicht des Wissenschaftlers derzeit kein einheitliches Prinzip (erstes Prinzip), das eine deduktive Ableitung ermöglicht. Für die allgemeine Relativitätstheorie gibt es ein solches Element: das Prinzip der lokalen Äquivalenz zwischen Gravitationsfeld und Bewegung mit Beschleunigung. Das klassische Beispiel für diesen Anfang ist der Aufzug. Mit seiner gleichmäßig beschleunigten Aufwärtsbewegung relativ zur Erde kann der Beobachter nicht feststellen, ob er sich in einem stärkeren Gravitationsfeld befindet oder sich in einem vom Menschen geschaffenen Objekt bewegt.
In seinem Artikel erwähnt Polchinsky die Bedeutung von Quantenfluktuationen für die Lösung von Gleichungen der Stringtheorie. Trotz der Tatsache, dass die modernen Gleichungen der Quantenfeldtheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie die beobachtete Welt auf den verfügbaren experimentellen Skalen gut beschreiben, können sie modifiziert werden, was den ersten Prinzipien dieser Theorien nicht widerspricht. In der Zwischenzeit führt dies zu bisher nicht beobachteten Effekten, die auf der Planck-Skala von Bedeutung sind.
Polchinsky bezieht sich auf solche Modifikationen wie die Einführung von Termen mit höheren Ableitungen in die Gleichungen der Quantenfeldtheorie (derzeit gibt es nur quadratische Terme mit den ersten Ableitungen der Felder) und die Hinzufügung von Begriffen, die quadratisch in der Krümmung der Raumzeit sind, zu den Einstein-Gleichungen in GR. Diese Zusätze führen dazu, dass die Schwankungen des Raum-Zeit-Schaums berücksichtigt werden müssen, die nach den Vorhersagen der Stringtheorie auf der Planck-Skala existieren.
Quantenschaum.
Polchinsky erklärt die Rolle des Raums für die Stringtheorie am Beispiel der Spiegelsymmetrie, die die Existenz verschiedener Mannigfaltigkeiten von Eugenio Calabi und Shintana Yau ermöglicht, die aus verschiedenen Räumen verdichtet (in extrem kleine zusätzliche räumliche Dimensionen gefaltet) werden und zu den gleichen Eigenschaften von Elementarteilchen führen können … Dies (zusammen mit dem Potenzial für die Existenz zusätzlicher räumlicher Dimensionen) legt nahe, dass die beobachtete Physik eine Manifestation der mehrdimensionalen Geometrie der Raum-Zeit und ihrer Struktur auf der Planck-Skala ist.
Die Dualität von Eichentheorien und Quantengravitation, verstanden als Holographie, wird es Polchinsky ermöglichen, Teilchenphysik und Gravitation auf einheitliche Weise zu beschreiben. Das 1993 vom niederländischen Physiker Gerard t'Hooft vorgeschlagene holographische Prinzip besagt, dass die an seiner Außengrenze (Strahl) enthaltenen Informationen für eine mathematische Beschreibung einer Welt ausreichen: In diesem Fall kann aus Hologrammen eine Vorstellung von einem Objekt höherer Dimension gewonnen werden. mit einer niedrigeren Dimension.
In Bezug auf die Stringtheorie war das Prinzip in der Idee der AdS / CFT-Korrespondenz enthalten, auf die der amerikanische theoretische Physiker argentinischer Herkunft Juan Maldacena 1998 hinwies. In dieser Hypothese führt die Äquivalenz der Beschreibung der Physik in speziellen Räumen zur Existenz einzigartiger Verbindungen zwischen ihren Parametern - Dualitäten. Mathematisch manifestiert sich dies in einer Beziehung, die es einem ermöglicht, die Parameter der Wechselwirkungen von Partikeln (oder Strings) einer der Theorien zu berechnen, wenn solche für die andere bekannt sind.
Das holographische Universum.
Polchinsky verbindet Fortschritte beim Verständnis der Physik von Schwarzen Löchern mit der Tatsache, dass Andrew Strominger und Kumrun Wafa 1996 im Rahmen der Stringtheorie die Ableitung des Ausdrucks für die Entropie von Schwarzen Löchern demonstrierten, den der israelische Physiker Jacob Bekenstein erstmals 1973 thermodynamisch erhielt. Ihre Schlussfolgerung zeigt, dass die Verdampfung von Schwarzen Löchern die Einheitlichkeit der Quantenmechanik bewahrt (verbunden mit einer konsistenten Interpretation der Wahrscheinlichkeit), die zuvor vom britischen Wissenschaftler Stephen Hawking in Frage gestellt wurde.
Die Beliebigkeit der Werte der beobachteten Grundkonstanten ist nach Polchinsky zwar eine ernsthafte Schwierigkeit in der "Theorie von allem", kann jedoch einige universelle Merkmale der Natur (insbesondere die Existenz des Multiversums) verdeutlichen. Der Wissenschaftler nannte den Wert der kosmologischen Konstante ungleich Null (der Lambda-Term in Einsteins Gleichungen) als Hauptmerkmal, das theoretisch auf die Existenz paralleler Welten hinweist. Laut dem Wissenschaftler betrifft die überwiegende Mehrheit der Stringtheorien das Multiversum. Diese Modelle enthalten auch eine kosmologische Konstante ungleich Null. Das heißt, nach Polchinsky kann eines nicht ohne das andere existieren. Darüber hinaus schätzte der Physiker unter Anwendung der Bayes'schen Inferenz die Wahrscheinlichkeit der Existenz des Multiversums auf 94 Prozent (dies entspricht einer statistischen Signifikanz von zwei Standardabweichungen).
"Sie mögen meiner Schätzung von 94 Prozent nicht zustimmen, aber es gibt kein vernünftiges Argument dafür, dass das Multiversum nicht existiert oder dass es unwahrscheinlich ist", schreibt Polchinsky. Der Wissenschaftler ist optimistisch über die Aussichten für die Formulierung der Quantengravitation (im Rahmen der Stringtheorie), arbeitet weiterhin in diese Richtung und schließt nicht aus, dass die Konstruktion einer "Theorie von allem" vorzeitig abgeschlossen wird - früher als das von ihm vorhergesagte Jahr 2131.
Andrey Borisov
