Гравитацията вече не е загадка за физиците - поне когато става въпрос за големи разстояния. Благодарение на науката може да се изчисляват орбитите на планетите, да се прогнозират приливите и отливите и да се изпращат ракети в космоса с точност. Теоретичното описание на гравитацията обаче достига своите граници на нивото на най-малките частици, т.нар. квантово ниво.
"За да обясним Големия взрив или вътрешността на черните дупки, трябва да разберем квантовите свойства на гравитацията", обяснява професор Йохана Ердменгер (Johanna Erdmenger), ръководител на катедра "Теоретична физика III" в Университета във Вюрцбург (JMU) в Бавария, Германия.
"При много високи енергии класическите закони на гравитацията се провалят. Ето защо нашата цел е да допринесем за разработването на нови теории, които могат да обяснят гравитацията във всички мащаби, включително на квантово ниво."
Централната теория на квантовата гравитация
Съответствието AdS/CFT, централна теория на квантовата гравитация, играе важна роля в разработването на нови модели. Тя гласи, че сложните гравитационни теории в едно високомерно пространство могат да бъдат описани от по-прости квантови теории на границата на това пространство.
AdS е съкращение от Анти-де-Ситер (Anti-de-Sitter) - специален тип пространство-време, което е извито навътре, подобно на хипербола. От другата страна е така наречената теория на конформното поле (CFT), квантова теория, която съществува само на двуизмерната граница на тази вселена и изобщо няма връзка с гравитацията. По мистериозен начин тази двойственост предполага, че гравитацията по някакъв начин се е появила като холограма в триизмерния свят от тази двуизмерна CFT.
Тази теоретична вселена, известна като AdS пространство, е различна от тази, която наблюдаваме. Като начало, присъщата енергия, съдържаща се в празното пространство в тази версия на модела, е отрицателна, което означава, че пространство-времето се огъва по странен начин, отрицателно.
Отрицателната кривина означава хиперболоидна извивка, като повърхност на седло или подобно на фуния на тромпет. Може да се опише като "обратното" на повърхността на сфера, която има положителна кривина., но има и ос време.
Пространството Анти-де Ситер е подобно на хиперболичното, но има и ос време.
 |
Изображение на (1 + 1) -измерно анти-де Ситер пространство, вградено в плоско (1 + 2) -измерно пространство. Вградената повърхност съдържа затворени времеподобни криви, обикалящи около оста x. Кредит: Wikimedia Commons |
В нашата вселена, от друга страна, стойността на тази така наречена вакуумна енергия е положителна. Това изкривява геометрията по точно обратния начин на хиперболоидното AdS пространство, оформяйки нашата вселена като непрекъснато разширяваща се сфера. Следователно ние живеем в де-Ситер пространство. За разлика от нашата Вселена, която се разширява AdS - пространството не се разширява и не се свива, а винаги изглежда по един и същи начин.
В една от картините си Ешер е изобразил плоска карта на хиперболично пространство. По краищата на рибките стават все по-малки, заради това, че изкривеното пространство се деформира, когато се показва на плосък лист хартия. По същия начин, в географските карти на света площите близо до полюсите са разтегнати.
Ако сe изобрази хиперболичното пространство като диск, напомнящ рисунката на Ешер, това AdS - пространството ще бъде подобно купчина от дискове, образуваща твърд цилиндър. Изменението по оста на времето съответства на движение по дължината на цилиндъра. Хиперболичното пространство може да има повече от две измерения. AdS - пространството прилича много на нашето пространство-време (с три пространствени измерения) и дава в напречното сечение на своя "цилиндър" триизмерна картина на Ешер. Физиката в AdS - пространството е малко необичайна. Ако един наблюдател се придвижва свободно, би се чувствал като на дъното на гравитационен кладенец. Всеки хвърлен от него обект, би се връщал обратно към него като бумеранг. Любопитното е, че времето, необходимо за връщане, няма да зависи от силата, с която обекта е хвърлен. Но колкото по-силно е хвърлен, толкова по-далече ще лети.
Ако някой в AdS - пространството изпрати лъч нанякъде, фотоните, които се движат със скоростта на светлината ще достигнат безкрайност и ще се върнат към източника за крайно време. Лазерният лъч (червената линия) ще достигне границата на вселената и ще се върне за едно и също време. В четиримерното AdS - пространство, което прилича на нашата Вселена, границата във всеки момент няма да е кръг и сфера.
Работата е там, че обектите в AdS - пространството, отдалечавайки се от наблюдателя, ще изпитват свиване на времето.
"На пръв поглед това звучи много сложно, но е лесно да се обясни", коментира Ердменгер. "Съответствието AdS/CFT ни позволява да разберем трудните гравитационни процеси, като например тези, които съществуват в квантовия свят, с помощта на по-прости математически модели. В основата ѝ е изкривено пространство-време, което може да се представи като фуния.
В една от картините си Ешер е изобразил плоска карта на хиперболично пространство. По краищата на рибките стават все по-малки, заради това, че изкривеното пространство се деформира, когато се показва на плосък лист хартия. По същия начин, в географските карти на света площите близо до полюсите са разтегнати.
"Съответствието" гласи, че квантовата динамика в края на фунията трябва да съответства на по-сложната динамика вътре - подобно на холограма върху банкнота, която генерира триизмерно изображение, въпреки че самата тя е само двуизмерна.
Доказателство за концепция за реализиране на гравитационна динамика в лабораторни условия
Заедно с екипа си Ердменгер вече е разработила метод за експериментална проверка на предсказанията на непотвърденото досега съответствие AdS/CFT. Използва се разклонена електрическа верига, за да се имитира изкривеното пространство-време - електрическите сигнали в отделните точки на разклонението на веригата съответстват на гравитационната динамика, която би се открила в различни точки на пространство-времето.
Изследването е публикувано в списание Physical Review Letters.
Теоретичните изчисления на изследователския екип показват, че в предложената схема динамиката на ръба на имитираното пространство-време също съответства на тази вътре - и по този начин централно предсказание на съответствието AdS/CFT може да бъде реализирано чрез схемата.
Като следваща стъпка изследователският екип от Вюрцбург планира да приложи на практика описаната в изследването експериментална постановка. Освен значителен напредък в гравитационните изследвания, това може да доведе и до технически иновации.
"Нашите схеми откриват и нови технологични приложения", обяснява Ердменгер. "Въз основа на квантовата технология се очаква те да предават електрически сигнали с намалени загуби, тъй като симулираната кривина на пространството свързва и стабилизира сигналите. Това би било пробив за предаването на сигнали в невронни мрежи, използвани за изкуствен интелект, например."
Справка: Santanu Dey et al, Simulating Holographic Conformal Field Theories on Hyperbolic Lattices, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.061603. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.03062
Източник: Theoretical physicists develop method to model a central theory of quantum gravity in the laboratory, Sebastian Hofmann, Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари