👨🏻‍🔬 🐺 ☃️ एथन नंबर 91 से पूछें: क्या क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के लिए स्ट्रिंग सिद्धांत आवश्यक है? ☝️ 👨🏾‍🚀 🛳️

यह मुझे लगता है कि स्ट्रिंग थ्योरी में इतनी अलग-अलग दिलचस्प चीजें हुई हैं कि यह गलत नहीं हो सकता। लोग इसे अच्छी तरह से नहीं समझते हैं, लेकिन मैं यह नहीं मानता कि कुछ ब्रह्मांडीय साजिश है जिसने ऐसी चीज बनाई है जिसका वास्तविक दुनिया से कोई लेना-देना नहीं है।

एडवर्ड व्हीटन

इसमें कोई संदेह नहीं है कि गणितीय दृष्टिकोण से हमारे पास सभी प्रकार के सुंदर और सुरुचिपूर्ण गणितीय मूल्यांकनों में कोई कमी नहीं है। लेकिन उन सभी को भौतिक ब्रह्मांड में कोई मतलब नहीं है। प्रत्येक शानदार विचार के लिए जो वर्णन करता है कि हम क्या देख सकते हैं और माप सकते हैं, एक और शानदार विचार है जो एक ही बात का वर्णन करने की कोशिश करता है, लेकिन यह गलत हो जाता है। पिछले सप्ताह स्ट्रिंग थ्योरी विकल्पों के संबंध में प्रश्नों पर चर्चा करते हुए, मैंने निम्नलिखित कथन पाया:

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सबसे पहले, क्वांटम गुरुत्वाकर्षण, स्ट्रिंग सिद्धांत समाधान और अन्य विकल्पों के बीच एक बड़ा अंतर है।

आइए अपने प्रिय ब्रह्मांड से शुरू करते हैं। सापेक्षता का एक सामान्य सिद्धांत है - गुरुत्वाकर्षण का हमारा सिद्धांत। वह कहती है कि न्यूटन के साथ आए सरल "लॉन्ग-रेंज एक्शन" की तुलना में पूरी प्रणाली थोड़ा पेचीदा काम करती है, जिसमें ब्रह्मांड के सभी स्थानों के सभी बल एक-दूसरे पर कार्य करने वाले बलों का उत्सर्जन करते हैं, उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होते हैं।

द्रव्यमान, जैसा कि आइंस्टीन ने समतुल्य सिद्धांत E = mc ² का उपयोग करके समझाया1907 में, ऊर्जा का केवल एक रूप है। यह ऊर्जा अंतरिक्ष-समय के बहुत कपड़े को लपेटती है, जिस पथ के साथ शरीर चलता है, और जो पर्यवेक्षक एक कार्टेशियन जाली के रूप में देखेगा उसे बदलकर। अदृश्य शक्ति द्वारा वस्तुओं को त्वरित नहीं किया जाता है, लेकिन बस ब्रह्मांड में मौजूद ऊर्जा के विभिन्न रूपों द्वारा घुमावदार पथ के साथ यात्रा करते हैं।

यह गुरुत्वाकर्षण है।

दूसरी ओर, हमारे पास प्रकृति के क्वांटम नियम हैं। विद्युत आवेशित कणों और उनकी गति द्वारा नियंत्रित विद्युत चुंबकत्व। उन्हें इंटरैक्शन के वाहक द्वारा वर्णित किया जाता है, फोटॉन, जो एक मध्यस्थ के रूप में कार्य करता है और जिसके कारण एक घटना उत्पन्न होती है कि हम बिजली और चुंबकत्व के साथ जुड़ते हैं। अभी भी दो परमाणु बल हैं - कमजोर, रेडियोधर्मी क्षय के लिए जिम्मेदार, और मजबूत, जो परमाणुओं के नाभिक को एक साथ रखता है और आमतौर पर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को अस्तित्व में रखने की अनुमति देता है।

इन बलों की गणना समतल स्थान-समय में की जाती है - इसलिए प्रत्येक छात्र क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत का अध्ययन करना शुरू करता है। लेकिन घुमावदार स्थान-समय की उपस्थिति में, सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत का पालन करना, सब कुछ गलत तरीके से व्यवहार करना शुरू कर देता है।

"ठीक है, चलो हमारे क्वांटम की गणना एक घुमावदार स्थान की पृष्ठभूमि के खिलाफ करते हैं!" - आप सलाह दें। इसे अर्ध-शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण कहा जाता है, और हमें हॉकिंग विकिरण जैसी चीजों की गणना करने की अनुमति देता है। लेकिन फिर भी, ये गणना केवल ब्लैक होल ईवेंट क्षितिज पर होती हैं, न कि जहां गुरुत्वाकर्षण और भी मजबूत होता है। जैसा कि भौतिक विज्ञानी सबीना होसेनफेलर ने समझाया , हमें कई स्थानों पर गुरुत्वाकर्षण के क्वांटम सिद्धांत की आवश्यकता है, और ये सभी सूक्ष्म दूरी पर गुरुत्वाकर्षण के भौतिकी से जुड़े हुए हैं।

उदाहरण के लिए, ब्लैक होल के केंद्र में क्या होता है? एक विलक्षणता एक बिंदु के रूप में अनंत घनत्व का एक बिंदु नहीं है, जिस पर जीआर का गणित संभावितों और बलों के लिए अर्थहीन उत्तर देता है। क्या होता है, उदाहरण के लिए, जब एक इलेक्ट्रॉन एक ही समय में दो स्लॉट से गुजरता है?

क्या गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र दोनों स्लॉट से गुजरता है? उनमें से एक के माध्यम से? जीआर में इस सवाल का कोई जवाब नहीं हैं।

जैसे कि "सहज" सामान्य सापेक्षता से जुड़ी ऐसी और इसी तरह की अन्य समस्याओं के लिए गुरुत्वाकर्षण का एक क्वांटम सिद्धांत होना चाहिए। गुरुत्वाकर्षण के स्रोतों, या द्रव्यमान की उपस्थिति में कम दूरी पर क्या होता है, यह समझाने के लिए, हमें एक क्वांटम, असतत, अर्थात् गुरुत्वाकर्षण के कण-आधारित सिद्धांत की आवश्यकता है।

सामान्य सापेक्षता के गुणों के लिए धन्यवाद, हम पहले से ही कुछ जानते हैं।

ज्ञात क्वांटम बलों को बोसॉन नामक कणों द्वारा या पूरे स्पिन के साथ कणों द्वारा प्रेषित किया जाता है। एक फोटॉन एक इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरैक्शन को प्रसारित करता है, डब्ल्यू और जेड बोसॉन एक कमजोर इंटरएक्शन संचारित करते हैं, और ग्लून्स एक मजबूत संचारित करते हैं। इन सभी कणों के लिए, स्पिन 1 के बराबर है, अर्थात्, विशाल कणों (डब्ल्यू और जेड) के स्पिन मान -1, 0 या +1 ले सकते हैं, और बड़े पैमाने पर (ग्लून्स और फोटॉन) - केवल -1 या +1।

हिग्स बोसोन एक बोसॉन है, हालांकि यह बातचीत को स्थानांतरित नहीं करता है और स्पिन 0 है। गुरुत्वाकर्षण के बारे में हमारा ज्ञान (जीआर गुरुत्वाकर्षण का दशम सिद्धांत है) कहता है कि इसे स्पिन 2 के साथ एक द्रव्यमान रहित कण द्वारा प्रेषित किया जाना चाहिए, यानी ऐसा कोई जिसका स्पिन मान ले सकता है -2 या +2।

यही है, हम पहले से ही गुरुत्वाकर्षण के क्वांटम सिद्धांत के बारे में कुछ जानते हैं, इससे पहले कि हम इसे तैयार करें! जो कुछ भी हो, यह बड़ी दूरी पर जीआर के अनुरूप होना चाहिए - जैसे जीआर को कमजोर क्षेत्रों के मामलों में गुरुत्वाकर्षण के न्यूटनियन सिद्धांत में पतित होना चाहिए।

पर कैसे? गुरुत्वाकर्षण को कैसे परिमाणित किया जा सकता है ताकि जीआर और टीएजी के साथ संगत, इसके चारों ओर की दुनिया का वर्णन करने में सिद्धांत सही हो, और, अधिमानतः, ऐसी घटनाओं की गणना की गई भविष्यवाणियों की ओर जाता है जिन्हें देखा और मापा जा सकता है?

आपने प्रमुख उम्मीदवार के बारे में सुना है - यह स्ट्रिंग सिद्धांत है।

1) स्ट्रिंग सिद्धांत। यह एक दिलचस्प उपकरण है - इसमें मानक मॉडल के लिए जाने वाले सभी फ़ील्ड और कण शामिल हो सकते हैं, दोनों फ़र्मियन और बोसॉन। इसमें गुरुत्वाकर्षण का एक दस-आयामी टेंसर-स्केलर सिद्धांत भी शामिल है, जहां 9 स्थानिक, एक अस्थायी आयाम और एक स्केलर फ़ील्ड पैरामीटर हैं। कॉम्पेक्टिफिकेशन (एक अपूर्ण वर्णित प्रक्रिया) का उपयोग करके छह आयामों को हटाना और पैरामीटर which को स्थानांतरित करना, जो स्केलर एकीकरण का वर्णन करता है, अनन्तता के लिए, हम जीआर प्राप्त करते हैं।

लेकिन टीएस के साथ कई घटनात्मक समस्याएं हैं। उदाहरण के लिए, वह नए कणों के एक समूह की उपस्थिति की भविष्यवाणी करता है, जिसमें सभी सुपरसिमेट्रिक वाले शामिल हैं, जिनमें से कोई भी नहीं मिला। वह दावा करती है कि उसे मानक मॉडल (कण द्रव्यमान) के रूप में "मुक्त मापदंडों" की आवश्यकता नहीं है, लेकिन वह इस समस्या को एक और भी बदतर के साथ बदल देती है। केंट ^{10,500 की} बात करता हैविभिन्न समाधान - और वे स्ट्रिंग फ़ील्ड मानों की वैक्यूम अपेक्षाओं को संदर्भित करते हैं, लेकिन कोई तंत्र नहीं है जो उन्हें स्थापित करने की अनुमति देगा। यदि आपको काम करने के लिए टीएस की आवश्यकता है, तो आप डायनामिक्स को छोड़ देते हैं और कहते हैं: "ठीक है, इसे मानव सिद्धांत के अनुसार चुना गया था।"

लेकिन एसटी एकमात्र विकल्प से बहुत दूर है।

2) लूप क्वांटम गुरुत्व। PCG, कणों को मात्रा देने के बजाय, असतत स्थान के विकल्प पर विचार करने का सुझाव देता है। बीच में एक बॉलिंग बॉल के साथ स्ट्रेच शीट की कल्पना करें। केवल यह कपड़ा चिकना नहीं होगा - वास्तविक शीट वास्तव में मात्रा में है, यह अणुओं से बना है, और उन परमाणुओं और नाभिक और इलेक्ट्रॉनों से बना है।

तो यह अंतरिक्ष के साथ है। यह कपड़े की तरह काम कर सकता है, लेकिन इसे परिमित संस्थाओं से भी बनाया जा सकता है। हो सकता है कि वह सिलाई और टाँके लगाता है - सिद्धांत इसका नाम कहां लेता है। छोरों को सीवे और आपको गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र की क्वांटम स्थिति का प्रतिनिधित्व करने वाला एक नेटवर्क मिलता है। इस मामले में, न केवल मामला, बल्कि अंतरिक्ष की मात्रा निर्धारित की जाएगी। इस दृष्टिकोण से यथार्थवादी क्वांटम संगणनाओं तक कैसे पहुंचा जाए यह एक खुला प्रश्न है, और उनका शोध, जिसने 2007-2008 में सफलता हासिल की, अभी भी सक्रिय रूप से आगे बढ़ रहा है।

3) Asymptotically सुरक्षित गुरुत्वाकर्षण। CTG से संपर्क करने का मेरा पसंदीदा प्रयास। स्पर्शोन्मुख स्वतंत्रता70 के दशक में मजबूत इंटरैक्शन की असामान्य संपत्ति की व्याख्या करने के लिए विकसित किया गया था - कम दूरी पर, बल बहुत कमजोर है, और जैसा कि रंग-चार्ज कणों को हटा दिया जाता है, यह तेज हो जाता है। इलेक्ट्रोमैग्नेटिज़म के विपरीत, जिसमें इंटरैक्शन निरंतर छोटा होता है, मजबूत इंटरैक्शन में यह बड़ा होता है। क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स के दिलचस्प गुणों के लिए धन्यवाद, यदि आप रंगों के बिना एक प्रणाली का निर्माण करते हैं, तो बातचीत की ताकत बहुत जल्दी घट जाएगी।

स्पर्शोन्मुख सुरक्षा इस से जुड़ी मुख्य समस्या को हल करने में लगती है - आपको इंटरैक्शन स्थिरांक की आवश्यकता नहीं है, या शून्य के लिए प्रवृत्त होना चाहिए। आपको निरंतर रहने के लिए स्थिरांक की आवश्यकता होती है। सभी इंटरैक्शन स्थिरांक ऊर्जा के साथ भिन्न होते हैं, और एसिम्प्टोटिक सुरक्षा बस उच्च-ऊर्जा मामलों में निरंतर के लिए एक मूल्य का चयन करती है, और उसके बाद की सभी चीजों की गणना निम्न ऊर्जाओं के लिए की जा सकती है।

सच है, अब तक हमने यह पता लगाया है कि केवल दो-आयामी अंतरिक्ष में इसका सामना कैसे करें, जहां 1 आयाम अंतरिक्ष में है और एक समय में है। लेकिन प्रक्रिया चल रही है। क्रिस्टोफ वेटरिच ने 90 के दशक में दो सफलता के कामों को प्रकाशित किया । और छह साल पहले, उन्होंने एलएचसी द्वारा खोजे जाने से पहले हिग्स बोसोन के द्रव्यमान की भविष्यवाणी करने के लिए इस सिद्धांत का उपयोग किया था।

और परिणाम वास्तविकता के साथ मेल खाता है। यह एक ऐसी अद्भुत भविष्यवाणी है कि जब गणना त्रुटियों की पट्टी और भी कम हो जाती है और डब्ल्यू-बोसोन और हिग्स बोसोन के द्रव्यमान को अंतिम रूप दिया जाता है, तो हमें भौतिकी के लिए अन्य सभी प्राथमिक कणों (जैसे सुपरसिमेट्रिक) की भी आवश्यकता नहीं है, ताकि प्लैंक तराजू के लिए सभी तरह से व्यवहार किया जा सके।

यह केवल आशाजनक नहीं है, इसमें स्ट्रिंग सिद्धांत के समान सकारात्मक गुण हैं: यह गुरुत्वाकर्षण की मात्रा निर्धारित करता है, कम ऊर्जा पर सामान्य सापेक्षता को अध: पतन करता है, और यूवी-परिमित है। और वह, तार के विपरीत, किसी भी अतिरिक्त कबाड़ की गाड़ी की जरूरत नहीं है जिसके लिए कोई सबूत नहीं है।

4) कोशिक गतिशील त्रिभुज। यह 2000 में Rinate Loll द्वारा विकसित एक नया उत्पाद है ।। यह अंतरिक्ष की विसंगति के संदर्भ में पीसीजी जैसा दिखता है, लेकिन मुख्य रूप से अंतरिक्ष के विकास से संबंधित है। इस सिद्धांत का एक दिलचस्प गुण यह है कि समय भी असतत है। सिद्धांत का अर्थ है 4-आयामी स्पेस-टाइम (पोस्ट नहीं किया गया है, लेकिन यह निम्न है), जो उच्च ऊर्जा पर दो-आयामी में बदल जाता है। यह एक सिम्प्लेक्स की गणितीय अवधारणा पर आधारित है, जो एक त्रिकोण का बहुआयामी एनालॉग है। 2-सिंप्लेक्स एक त्रिकोण है, 3-सिम्प्लेक्स एक टेट्राहेड्रोन है, और इसी तरह। दिलचस्प बात यह है कि इस सिद्धांत से कार्य-कारण के संरक्षण का सिद्धांत स्पष्ट रूप से अनुसरण करता है। वह गुरुत्वाकर्षण का वर्णन करने में सक्षम हो सकती है, लेकिन अभी तक हम 100% सुनिश्चित नहीं हैं कि प्राथमिक कणों के मानक मॉडल को इसमें धकेला जा सकता है।

5) प्रेरित गुरुत्वाकर्षण। सबसे सट्टा और हालिया सिद्धांत जो 2009 में ज्ञात हुआ, जब एरिक वर्लिंडे ने एन्ट्रॉपी ग्रेविटी के सिद्धांत का प्रस्ताव रखा - एक मॉडल जहां गुरुत्वाकर्षण मुख्य बल नहीं है, लेकिन एंट्रोपी से जुड़ी एक घटना से निम्नानुसार है। इस सिद्धांत के बीज 1967 में उनके द्वारा प्रस्तावित आंद्रेई सखारोव की अवधारणा के लिए ब्रह्मांड के बायोरोनिक विषमता के उद्भव के लिए स्थितियों की खोज के लिए वापस जाते हैं। बहुत ज्यादा पूछने के लिए सिद्धांत बहुत नया है।

खैर, आज हमारे पास क्वांटम गुरुत्व के मुद्दे के बारे में क्या है। हमें कण स्तरों पर ब्रह्मांड को बनाने के लिए इसकी आवश्यकता है, लेकिन हम नहीं जानते कि यह कैसा दिखता है और वर्णित सिद्धांतों में से कोई भी खेल होगा। स्ट्रिंग सिद्धांत सभी का सबसे अधिक अध्ययन किया गया है, asymptotically सुरक्षित गुरुत्वाकर्षण मेरा पसंदीदा है, लूप क्वांटम गुरुत्व पांच में से दूसरा सबसे लोकप्रिय है, और कारण गतिशील त्रिभुज और प्रेरित गुरुत्वाकर्षण नए सिद्धांत हैं जो अब सक्रिय रूप से विकसित हो रहे हैं।

एथन नंबर 91 से पूछें: क्या क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के लिए स्ट्रिंग सिद्धांत आवश्यक है?

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