Vật lý đương đại đã theo đuổi trong nhiều thập kỷ một mục tiêu đầy tham vọng và thiết yếu: để đưa ra một mô tả lượng tử về lực hấp dẫnĐây không phải là ý thích trí tuệ, mà là yêu cầu về tính mạch lạc từ tự nhiên: nếu các tương tác cơ bản khác có hình thức lượng tử vững chắc, thì lực hấp dẫn, tương tác thứ tư đang được tranh luận, cũng có thể được xử lý theo các quy tắc của cơ học lượng tử.
Thuyết tương đối rộng đã vô cùng thành công trong việc giải thích cách đường cong không thời gian Trong sự hiện diện của khối lượng và năng lượng, tại sao ánh sáng bị lệch hướng bởi trường hấp dẫn mạnh, các thiên hà tiến hóa trên quy mô lớn như thế nào, hay điều gì xảy ra ở vùng lân cận của một lỗ đen. Tuy nhiên, vẫn có những hiện tượng ranh giới - cực đoan và vi mô nhất - mà các phương trình của chúng trở nên không đủ và khả năng tương thích với cơ học lượng tử Nó tan ra như một viên đường.
Chúng ta hiểu gì về lực hấp dẫn lượng tử?
Dưới sự bảo trợ của cái gọi là lực hấp dẫn lượng tử, các nỗ lực hòa giải được nhóm lại, trong cùng một khuôn khổ, lý thuyết trường lượng tử và thuyết tương đối của EinsteinCho đến nay, vẫn chưa có lý thuyết nào được cộng đồng xác minh và chấp nhận đạt được điều này, nhưng chúng ta có những ứng cử viên mạnh và nhiều đề xuất bổ sung.
Hai cách tiếp cận chính đang dẫn đầu cuộc đua: Lý thuyết dây và lực hấp dẫn lượng tử vòng lặp (hoặc vòng lặp). Cùng với các lựa chọn quỹ đạo này với các hương vị rất khác nhau, chẳng hạn như Lý thuyết Twistor, Hình học phi giao hoán, Lực hấp dẫn lượng tử đơn giản, Lực hấp dẫn lượng tử Euclid hoặc các công thức dựa trên bề mặt không trong thuyết tương đốiSự đa dạng của nó minh họa một cách chính xác tính phức tạp của thách thức.
Động cơ rất rõ ràng: thế giới vi mô được điều chỉnh bởi các quy tắc lượng tử, xác suất và rời rạcTrong khi lực hấp dẫn liên tục làm cong bức tranh không thời gian, thì khi chúng ta cố gắng kết hợp chúng mà không cân nhắc thêm, vô hạn, mâu thuẫn và các phương trình đơn giản là không phù hợp sẽ xuất hiện.
Hai quan điểm xung đột: năng lượng cao so với thuyết tương đối
Đối với nhiều người làm việc trong lĩnh vực vật lý hạt và năng lượng cao, trọng lực là tương tác yếu hơnĐây là một hiện tượng khác có thể được mô tả bằng một lý thuyết trường lượng tử chuẩn. Từ góc nhìn này, cuộc tìm kiếm một "graviton" hay sự kích thích của trường hấp dẫn phù hợp với cùng khuôn khổ như điện từ học, tương tác yếu và tương tác mạnh, như đã đạt được trong Mô hình Chuẩn.
Theo dòng suy nghĩ đó, lý thuyết dây đề xuất rằng các hạt không phải là điểm, mà sợi một chiều Các chế độ rung động của chúng tạo ra tất cả các hạt và lực. Trong bản kiểm kê đó, lực hấp dẫn xuất hiện như một kích thích cụ thể của dây, và vấn đề được thu gọn lại - nói một cách ngắn gọn - thành việc tìm hiểu cách kích thích đó tái tạo các hiện tượng hấp dẫn đã biết.
Mặt khác, những người theo chủ nghĩa tương đối cảnh báo rằng chiến lược này có thể không đủ sức khỏeThuyết tương đối rộng đã dạy chúng ta rằng không có "sân khấu" cố định nào cho vật lý phát triển: không-thời gian là động và tham gia vào hành động. Do đó, việc xem trọng lực như một trường lượng tử trên một nền tảng cứng nhắc là không phù hợp. phản bội bài học của Einstein và nó đòi hỏi phải suy nghĩ lại từ đầu các khái niệm như không gian và thời gian.
Nhìn dưới góc độ này, thách thức của lực hấp dẫn lượng tử nằm ở việc thúc đẩy cuộc cách mạng khái niệm do thuyết tương đối khởi xướng, đồng thời cũng tích hợp các quy tắc của cơ học lượng tử, hướng tới sự tổng hợp tái cấu trúc những khái niệm cơ bản nhất về thực tế.
Lực hấp dẫn lượng tử vòng lặp: từ liên tục đến cấu trúc rời rạc
Một cách rất trực quan để có được một ý tưởng là tưởng tượng vũ trụ như một tấm thảm lớn: trên một quy mô lớn Có vẻ như liên tục và trơn truNhưng nếu chúng ta quan sát nó bằng một "kính hiển vi" ngày càng mạnh mẽ hơn, cuối cùng chúng ta sẽ thấy những sợi xoắn vào nhau, như thể không gian đang "phân mảnh" và không còn có thể chia cắt vô hạn. Đó chính là trực giác đằng sau Lực hấp dẫn lượng tử vòng lặp (LQG).
LQG không giả định một nền tảng cố định. Nó sử dụng Thuyết Tương đối Tổng quát và buộc nó phải nói bằng ngôn ngữ lượng tử. Trong quá trình đó, các biến tự nhiên không còn là các số đo liên tục nữa mà trở thành các quan sát được liên kết với các mối quan hệ (vòng lặp) —về mặt kỹ thuật, là vòng lặp Wilson— thu thập thông tin từ trường. Cách tiếp cận này gợi ý một sự rời rạc hóa hiệu quả của không-thời gian: việc thăm dò "tại bất kỳ điểm nào" không còn hợp lý nữa, mà thay vào đó là thông qua các vòng lặp khép kín này.
Sự thay đổi về mặt khái niệm rất quan trọng: các vòng lặp không “sống” trong một không gian trước đó, xác định không gian đóDo đó, trạng thái lượng tử hình học là một cấu hình của các vòng lặp. Bất cứ thứ gì nằm ngoài chúng đều không có ý nghĩa vật lý ở cấp độ mô tả này.
Về mặt vận hành, làm việc với các vòng lặp thuần túy làm phức tạp các phép tính. Sự đơn giản hóa chính đến từ mạng lưới spinÝ tưởng này, ban đầu được Roger Penrose giới thiệu và được LQG hồi sinh từ những nguyên lý đầu tiên, liên quan đến đồ thị: các đường thẳng (cạnh) được kết nối tại các nút và được tải bằng nhãn spin j = 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,…, có hướng (đến hoặc đi) và có các đối tượng toán học tại các nút (sự vướng víu) liên hệ các nhãn của các cạnh đến và đi.
Với những thành phần này, LQG cung cấp các toán tử hình học —chiều dài, diện tích, thể tích— có phổ rời rạc. Ví dụ, diện tích của một bề mặt được tính bằng cách đếm số cạnh của mạng spin đi qua nó và kết hợp nhãn của chúng bằng một hàm cụ thể. Điều này ngụ ý rằng có một diện tích tối thiểu liên quan đến trường hợp j = 1/2 và, theo cấu trúc, Không phải tất cả các khu vực đều có thể thực hiện được.nhưng là các giá trị lượng tử. Điều tương tự cũng xảy ra với thể tích và góc.
Về mặt lý thuyết, một tham số thực sự xuất hiện, đó là Barbero-ImmirziVai trò của nó vẫn chưa được xác định đầy đủ. Không có giới hạn lý thuyết nào cố định giá trị của nó (ngoài ra nó không bằng không), và nhiều lập luận khác nhau cố gắng xác định nó dựa trên các cân nhắc vật lý.
Tiến trình, thành tựu và những trở ngại của LQG
Một trong những thành công nổi tiếng nhất của LQG là việc tạo ra entropy của lỗ đenViệc đạt được tỷ lệ thuận với diện tích đường chân trời như trong định luật Bekenstein-Hawking (S ∝ A). Những phát triển ban đầu đòi hỏi phải điều chỉnh tham số Barbero-Immirzi để đạt được hệ số 1/4, điều này có vẻ như là một "thủ thuật". Tuy nhiên, các nghiên cứu sau này đề xuất các phương pháp khôi phục tỷ lệ thuận chính xác mà không cần điều chỉnh ngẫu nhiên này, và cũng trong các trường hợp lỗ đen có thể xảy ra về mặt thiên văn học.
Trong vũ trụ học, khi kỹ thuật này được áp dụng cho vũ trụ sơ khai (LQC, Vũ trụ học lượng tử vòng lặp), điểm kỳ dị Vụ nổ lớn không còn là ranh giới không thể vượt qua: hệ thống đi qua trạng thái mật độ cực đại một cách trơn tru, được gọi là sự phục hồi lớn (Vụ Nảy Lớn). Nếu vậy, vũ trụ của chúng ta có thể đã thoát ra từ một giai đoạn sụp đổ trước đó. Ý tưởng này thúc đẩy việc tìm kiếm các dấu vết quan sát trong bức xạ vi sóng vũ trụ cho phép thử nghiệm mô hình.
Điểm yếu được trích dẫn thường xuyên nhất của LQG là chứng minh, không có sự mơ hồ, rằng giới hạn cổ điển của nó tái tạo Thuyết tương đối tổng quát với các hiệu chỉnh lượng tử nhỏ, cũng giống như điện động lực học lượng tử quay trở lại các phương trình Maxwell trong giới hạn thích hợp. Bước đó—sự phục hồi sạch sẽ của Einstein—là một tiêu chí nhất quán vẫn chưa đạt được với độ tin cậy mong muốn.
Thống nhất? Nói một cách chính xác, LQG không phải là một lý thuyết thống nhất: nó có thể chứa đựng các trường vật chất Sống trên các mạng lưới spin mà không cần áp đặt mối quan hệ giữa chúng. Tuy nhiên, nó đặt lực hấp dẫn vào cùng một ngôn ngữ chuẩn mực như các tương tác khác, tạo nên một hình thức tinh tế của sự sắp xếp chính thức. Trên thực tế, những phát triển gần đây đã mở rộng các kỹ thuật của nó sang nhiều chiều hơn và siêu đối xứngmở ra cánh cửa cho những kết nối trong tương lai với các khuôn khổ khác.
Lý thuyết dây và các con đường cạnh tranh khác
Lý thuyết dây tỏa sáng với tham vọng của nó: nó trình bày một khuôn khổ toán học trong đó tất cả các hạt và lực, bao gồm cả lực hấp dẫn, xuất hiện như chế độ rung động của các chuỗi một chiều. Để nhất quán, nó đòi hỏi siêu đối xứng và các chiều bổ sung (10 hoặc 11 tùy theo phiên bản), những thành phần mà hiện tại chưa có bằng chứng thực nghiệm rõ ràng: cả hai đều không siêu bạn thân của các hạt đã biết, cũng không có dấu hiệu của các chiều ẩn.
Bất chấp những vấn đề của nó, lý thuyết dây đã thành công trong việc thống nhất vô số hiện tượng rời rạc thành một hình thức tinh tế và đóng vai trò như một phòng thí nghiệm cho các kỹ thuật mạnh mẽ. LQG và lý thuyết dây không nhất thiết phải là loại trừ lẫn nhauTrên thực tế, chúng có chung sự hiện diện của các kích thích một chiều (dây trong một trường hợp và vòng lặp trong trường hợp khác) và không phải là điều vô lý khi nghĩ về các kịch bản bổ sung trong tương lai.
Ngoài hai hướng nghiên cứu này, còn có những hướng nghiên cứu có tên gợi ý như Những cơn lốc xoáyLực hấp dẫn lượng tử đơn giản, Hình học phi giao hoán, Lực hấp dẫn lượng tử Euclid, hay các công thức dựa trên bề mặt rỗng. Mỗi công thức đều đóng góp những hiểu biết và công cụ cụ thể, và cùng nhau, chúng nuôi dưỡng hệ sinh thái ý tưởng, mà một ngày nào đó, có thể kết tinh thành lý thuyết đúng đắn.
Manh mối thực nghiệm: từ không gian sâu thẳm đến phòng thí nghiệm
Sự chỉ trích lớn nhất đối với bất kỳ lý thuyết nào về lực hấp dẫn lượng tử chính là khoảng cách thực nghiệm của nó: những hiệu ứng rõ ràng nhất đều ẩn giấu ở quy mô rất nhỏ. bị cấm đối với công nghệ của chúng tôiMặc dù vậy, vẫn có những cách khéo léo để tìm kiếm các dấu hiệu gián tiếp hoặc thiết lập ranh giới.
Một ví dụ đáng chú ý đến từ sứ mệnh Integral của ESA, một kính viễn vọng tia gamma có khả năng đo độ phân cực. Một số giả thuyết về độ chi tiết của không gian ở quy mô cực nhỏ dự đoán rằng sự lan truyền của các photon gamma trải qua một "cú xoắn" phụ thuộc năng lượng nhẹ, làm thay đổi phân cực tích lũy trên khoảng cách xa.
Nhóm của Philippe Laurent (CEA Saclay) đã phân tích dữ liệu từ một trong những vụ nổ tia gamma mạnh nhất từng được ghi nhận, GRA 041219A (19 tháng 000 năm 2004), và không phát hiện ra sự khác biệt về phân cực giữa các photon năng lượng cao và năng lượng thấp trong giới hạn của thiết bị. Với thiết bị IBIS, cùng độ phân giải tốt hơn khoảng 10 lần so với các thiết bị tiền nhiệm, họ đã có thể chuyển đổi sự vắng mặt của tín hiệu thành các giới hạn cứng: nếu độ chi tiết tồn tại, thang đo đặc trưng của nó phải nhỏ hơn nhiều so với 10-35 m, đẩy độ cao về phía khoảng 10-48 m hoặc thậm chí ít hơn.
Một bài kiểm tra tích phân khác, lần này với Tinh vân Con cua (2006) đã củng cố kết luận này, mặc dù phạm vi hẹp hơn, vì nguồn gần hơn nhiều và các hiệu ứng tích lũy sẽ nhỏ. Nhìn chung, những kết quả này cho thấy việc loại bỏ một số phiên bản chuỗi hoặc LQG dự đoán các phép quay phân cực dễ tiếp cận hơn, và buộc chúng ta phải tinh chỉnh hoặc từ bỏ các giả thuyết.
Trong phòng thí nghiệm, một cột mốc gần đây đã đạt được bởi một nhóm từ Đại học Southampton (Anh) do Tim M. Fuchs đứng đầu: họ đã đo được tương tác hấp dẫn tại quy mô hiển vi với độ nhạy lạnh người. Ý tưởng của ông: làm bay một vật nặng 0,43 miligam bằng nam châm siêu dẫn ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối và sau đó phát hiện lực nhỏ tới 30 atton (một atton bằng một phần nghìn tỷ của một newton).
Thành tựu công nghệ là hiển nhiên, nhưng điều quan trọng là điều này năng lực đo lường Điều này đưa chúng ta đến gần hơn với khả năng quan sát dấu hiệu đầu tiên của hiệu ứng lượng tử của lực hấp dẫn trong các hệ thống ngày càng nhẹ hơn. Kế hoạch là lặp lại thí nghiệm với khối lượng nhỏ hơn cho đến khi chúng ta tiếp cận được cõi lượng tử, một bước quan trọng nếu chúng ta muốn biến những phỏng đoán thành hiện thực. bằng chứng vững chắc.
Các cách tiếp cận không theo quy ước cũng đang nổi lên, chẳng hạn như đề xuất của một lực hấp dẫn cổ điển hậu lượng tử (liên quan đến Oppenheim), đề xuất sửa đổi lý thuyết lượng tử để tương thích với thuyết tương đối rộng mà không lượng tử hóa lực hấp dẫn. Đây là một cách tiếp cận không chính thống, nhưng nó khơi gợi thảo luận về những gì thực sự cần thay đổi để mọi thứ phù hợp với nhau.
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu từ Đại học Aalto Mikko Partanen và Jukka Tulkki đã trình bày một công thức mới về lực hấp dẫn như một lý thuyết chuẩn, với các đối xứng tương tự như Mô hình Chuẩn. Điểm mấu chốt là mô tả các tương tác thông qua một trường chuẩn—chẳng hạn như trường điện từ—và đưa lực hấp dẫn vào khuôn mẫu đó với một đối xứng tương thích với các lực khác. Công trình của họ, được công bố trên Tạp chí Báo cáo Tiến bộ Vật lý, xem xét việc tái chuẩn hóa để chế ngự vô hạn: họ đã chứng minh rằng nó hoạt động ít nhất ở bậc một và tìm cách chứng minh nó ở mọi bậc. Nếu thành công, họ sẽ mở ra một con đường hướng tới lý thuyết trường lượng tử tái chuẩn hóa của trọng lực.
Mặc dù những tiến bộ này vẫn chưa được chuyển thành các ứng dụng ngay lập tức, nhưng điều đáng ghi nhớ là các công nghệ hàng ngày—chẳng hạn như GPS trên điện thoại di động của bạn— chúng hoạt động nhờ thuyết tương đối. Một sự hiểu biết sâu sắc hơn về lực hấp dẫn, nếu được gói gọn trong một hình thức lượng tử vận hành, có thể mở ra những bất ngờ thực tế mà ngày nay chúng ta thậm chí còn chưa ngờ tới.
Tình hình hiện tại: sự chắc chắn, nghi ngờ và khả năng hội tụ
Hiện tại, hai ứng cử viên chính—dây thừng và LQG—đang cạnh tranh để giải thích thực tế, nhưng họ cũng có thể bổ sung ở những khía cạnh cụ thể. Có thể cả hai cách tiếp cận đều chưa hoàn thiện (hoặc không chính xác) và giải pháp nằm ở một sự tổng hợp kế thừa những điểm tốt nhất của mỗi phương pháp. Điều chắc chắn là con đường này đòi hỏi bằng chứng thực nghiệm: giới hạn từ vật lý thiên văn năng lượng cao, phép đo lường cực đoan trong phòng thí nghiệm, và dấu vết vũ trụ học trên bầu trời.
Các đề xuất thay thế làm phong phú thêm cảnh quan và khuyến khích việc xem xét lại các khái niệm như tính liên tục của không gian-thời gian, vai trò của nền hình học hoặc cấu trúc đối xứng chi phối tự nhiên. Trong khi đó, công trình lý thuyết phải tiếp tục tinh chỉnh vô hạn, làm rõ các giới hạn cổ điển và đề xuất các quan sát có thể kiểm chứng được.
Tổng quan kỹ thuật: lĩnh vực, tiềm năng và kết nối
Một manh mối lịch sử hữu ích là nhớ lại vai trò của đo điện thế và các đường sức từ (định luật Faraday) trong các tương tác phi hấp dẫn. Trong điện từ, cả yếu lẫn mạnh, thế năng và đối xứng chuẩn là ngôn ngữ tự nhiên. Khi trọng lực được chuyển sang ngôn ngữ đó, các cấu trúc như Cà vạt của Wilson mã hóa thông tin toàn diện của trường.
Theo quan điểm của LQG, những gì có thể đo lường một cách nhất quán có liên quan đến các vòng lặp đã được biết đến là đồ thị lượng tử—mạng spin—trong đó các nhãn cạnh j không phải là tùy ý: chúng phản ánh các biểu diễn của tính đối xứng cơ bản và khả năng kiểm soát, thông qua các quy tắc chính xác, diện tích hoặc thể tích là bao nhiêu Nó được gán cho các giao điểm với các bề mặt hoặc vùng. "Độ chi tiết" rời rạc này không phải là một lưới áp đặt, mà là hệ quả của cấu trúc lượng tử của hình học.
Thực tế là các nút lưu trữ các bộ xen kẽ (các hình thái kết nối các cạnh bên trong và bên ngoàiĐiều này cho thấy hình học lượng tử không chỉ mang tính cục bộ dọc theo các cạnh, mà tính nhất quán tại các điểm giao nhau còn áp đặt các mối quan hệ toàn cục. Điều này cung cấp một khuôn khổ toán học để từ đó cố gắng tái cấu trúc động lực học và hy vọng là ranh giới cổ điển Đúng.
Còn vai trò của các quan sát vũ trụ học thì sao?
Nếu cấu trúc của không gian là rời rạc, các dấu hiệu nhỏ có thể xuất hiện trong các hiện tượng như sự lan truyền của sóng hấp dẫn hoặc trong những tương quan tinh tế của bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Hiện tại, ngôi nhà vẫn chưa được quét dọn: các giới hạn phù hợp với một không thời gian cực kỳ trơn tru xuống đến thang đo dưới 10-35 Theo dữ liệu phân cực gamma của tôi, đang tiến về phía 10-48 m. Bất kỳ lý thuyết nào dự đoán những tác động lớn hơn đều đã bị bác bỏ.
Những năm tới có thể cung cấp những manh mối mới: các thiết bị nhạy hơn, danh mục GRB mở rộng hơn, các phân tích phân cực ngày càng tinh vi hơn và các thí nghiệm về bột nổi đưa chế độ lượng tử của lực hấp dẫn đến gần hơn với thực tế trong phòng thí nghiệm. Mỗi dữ liệu buộc lý thuyết phải điều chỉnh hoặc loại bỏ những ngõ cụt.
Tài liệu tham khảo và tài liệu đọc được đề xuất
Để đào sâu hơn, hãy xem xét Carlo Robelli (1998) trong Living Reviews in Relativity on Loop Quantum Gravity (doi:10.12942/lrr-1998-1). Tổng quan về các nghiên cứu gần đây về LQG và vũ trụ học lượng tử cũng hữu ích, cũng như các bài báo khoa học phổ biến cô đọng kết quả một phần và thách thứcVề giới hạn quan sát, tài liệu sứ mệnh Integral của ESA thảo luận chi tiết về các phân tích phân cực gamma (bao gồm GRB 041219A và Tinh vân Con Cua). Trong bối cảnh phòng thí nghiệm thực nghiệm, bản in trước của nhóm Fuchs mô tả đo lường đến attonewtons với khối lượng bay lơ lửng. Và đối với phương pháp đo trọng lực, công trình của Partanen và Tulkki trong Báo cáo về Tiến bộ Vật lý là một điểm khởi đầu tốt.
Sau cuộc hành trình này, rõ ràng là sự hòa giải giữa cơ học lượng tử và lực hấp dẫn vẫn còn bỏ ngỏ, với các chuỗi và ruy băng là những biểu tượng chính, các đề xuất thay thế mở rộng tầm nhìn và dữ liệu—từ vũ trụ đến kỹ thuật đông lạnh—đang tinh chỉnh các giả thuyết; mục tiêu cuối cùng chỉ ra một khuôn khổ tôn trọng động lực của không gian-thời gian, cùng tồn tại với lý thuyết lượng tử và cuối cùng vượt qua được thử nghiệm.
