Что такое гравитация простыми словами. Квантовая гравитация простыми словами
Нужна ли квантовой гравитации теория струн?
«Я просто думаю, что в струнной теории произошло слишком много хороших вещей, чтобы она была совершенно неправильной. Люди не очень хорошо ее понимают, но я просто не верю в гигантский космический замысел, который создал эту невероятную вещь, и чтобы она не имела ничего общего с реальным миром», — сказал однажды Эдвард Уиттен.
Безо всяких сомнений, с математической точки зрения нет недостатка в невероятных, прекрасных и элегантных теориях. Но не все они подходят для нашей физической Вселенной. Кажется, что на каждую блестящую идею, которая точно описывает, что мы можем наблюдать и измерить, приходится по меньшей мере одна блестящая идея, которая пытается описать те же вещи, но остается в корне неверной. На прошлой неделе мы задались вопросом, который сводится к примерно следующей сути.
Квантовая гравитация. Мы хотели бы знать, имеется ли какой-нибудь прогресс в этой области за последние пять-десять лет. Нам, обычным смертным, кажется, что эта сфера малость подзастряла, а теория струн начала падать в забытие, поскольку ее сложно проверить и у нее имеется 10^500 возможных решений. Правда ли это, или же где-то за кулисами протекает некий прогресс, на который пресса просто не обращает внимания?
Во-первых, стоит провести большую разделительную черту между идеей квантовой гравитации, решением теории струн (или предлагаемым решением) и другими альтернативами.
Начнем со Вселенной, которую мы знаем и любим. С одной стороны, есть общая теория относительности, наша теория гравитации. Она утверждает, что вместо того, чтобы быть простым действием на расстоянии, как завещал Ньютон, когда все массы во всех местах оказывают силы друг на друга обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, в ее основе лежит более тонкий механизм.
Масса, как установил Эйнштейн с принципом эквивалентности и E=mc^2 в 1907 году, была одной из форм энергии во Вселенной. Эта энергия, в свою очередь, искривляет саму ткань пространства-времени, изменяя путь движения всех объектов и изменяя то, что наблюдатель мог наблюдать в виде картезианской сетки. Объекты не ускоряются за счет невидимой силы, а скорее путешествуют по пути, определяемому влиянием всех различных форм энергии во Вселенной.
Это гравитация.
С другой стороны, у нас есть другие законы природы: квантовые. Есть электромагнетизм, за который отвечают электрически заряженные частицы, их движение и который описывается переносчиком силы фотоном, который выступает посредником при этих взаимодействиях и дарит нам явления, которые мы связываем с электростатикой и магнетизмом. Есть также две ядерных силы: слабая ядерная сила, ответственная за явления вроде радиоактивного распада, и сильная ядерная сила, которая удерживает атомные ядра вместе и позволяет существовать протонам и нейтронам.
Расчеты для этих сил обычно происходят в плоском пространстве-времени, с которого каждый студент начинает изучение квантовой теории поля. Но этого недостаточно, когда мы присутствуем в искривленном пространстве, как того диктует общая теория относительности.
«Итак, — скажете вы, — мы просто будем проводить вычисления нашей теории поля на фоне искривленного пространства!». Это известно как полуклассическая гравитация, и этот тип вычислений позволяет нам рассчитывать вещи вроде излучения Хокинга. Но даже это имеется только на горизонте самой черной дыры, а не там, где гравитация будет во всей своей красе. Есть много физических случаев, в которых нам пригодилась бы квантовая теория гравитации, и все они связаны с гравитационной физикой на мельчайших масштабах, на крошечных дистанциях.
Что, к примеру, происходит в центральных районах черных дыр? Вы можете подумать, мол, «о, там же сингулярность», но сингулярность — это не столько точка с бесконечной плотностью, сколько случай, где математический инструмент общей теории относительности выдает бессмысленные ответы на вопросы о потенциалах и силах. Что происходит, когда электрон проходит через двойную щель? Проходит ли гравитационное поле через обе щели? Или через одну? Общая теория относительности ничего не говорит на этот счет.
Считается, что должна быть квантовая теория гравитации, которая объяснит эти и другие проблемы, присущие в «гладкой» теории гравитации вроде ОТО. Для того чтобы объяснить, что происходит на малых дистанциях в присутствии гравитационных источников — или масс, — нам нужна квантовая, дискретная, а значит, и построенная на частицах теория гравитации.
Благодаря свойствам самой ОТО, что-то мы уже знаем.
Известные квантовые силы определяются действием частиц, известных как бозоны, или частицы с целым спином. Фотоны определяют электромагнитную силу, W- и Z-бозоны выступают посредниками для слабой ядерной силы, а глюоны — для сильного ядерной силы. У всех этих частиц спин равен 1, причем для массивных частиц спин может принимать значение -1, 0 или +1, тогда как у безмассовых частиц (вроде глюонов и фотонов) он может принимать значение только -1 или +1.
Бозон Хиггса тоже является бозоном, только не выступает посредником для сил и обладает спином 0. Насколько мы знаем гравитацию — ОТО является тензорной теорией гравитации — ее посредником должна выступать безмассовая частица со спином 2, а значит ее спин может принимать значение -2 или +2 только.
Получается, мы что-то знаем о квантовой теории гравитации еще до попытки сформулировать ее. Мы знаем это, поскольку какой бы ни была квантовая теория гравитации, она должна быть в соответствии с ОТО, когда мы имеем дело с не самыми малыми дистанциями до массивных частиц или объектов, равно как и ОТО должна сводиться к ньютоновской гравитации в режиме слабого поля.
Большой вопрос, конечно, как это сделать. Как квантовать гравитацию, чтобы она была корректна (в описании реальности), соотносилась с ОТО и КТП и приводила к вычисляемым предсказаниям новых явлений, которые могут быть наблюдаемы, измеряемы или проверямы.
Ведущий претендент, как вы знаете, это теория струн.
Теория струн
Теория струн — интереснейшее поле, которое включает все стандартные модели полей и частиц, фермионы и бозоны. Она включает 10-мерную тензор-скалярную теорию гравитации: с 9 пространственными и 1 временным измерением и параметром скалярного поля. Если мы уберем шесть из этих пространственных измерений (через не до конца понятный процесс, который люди называют компактификацией) и позволим параметру (ω), который определяет скалярное взаимодействие, уйти в бесконечность, мы сможем восстановить ОТО.
Однако у теории струн есть целый ряд феноменологических проблем. Одна из них заключается в том, что из теории вытекает огромное число новых частиц, в том числе и все суперсимметричные, которых мы до сих пор не обнаружили. Она утверждает, что нет необходимости в «свободных параметрах», которыми обладает Стандартная модель (для масс частиц), но заменяет эту проблему еще худшей. Когда мы говорим о 10^500 возможных решениях, эти решения касаются ожидаемых значений струнных полей, и нет никакого механизма восстановить их; чтобы струнная теория работала, вам придется отказаться от динамики и просто сказать, что «она должна была быть выбрана антропно».
Впрочем, струнная теория — не единственный игрок на этом поле.
Петлевая квантовая гравитация
ПКГ представляте собой интересный взгляд на проблему: вместо того чтобы пытаться квантовать частицы, ПКГ утверждает, что само пространство является дискретным. Как обычно представляют гравитацию: натянутая простыня с шаром для боулинга в центре. Мы также знаем, что обычно простынь квантуется, то есть состоит из молекул, которые состоят из атомов, которые состоят из ядер (кварков и глюонов) и электронов.
Пространство может быть таким же! Поскольку оно выступает в качестве ткани, то состоит из конечных квантованных элементов. И, возможно, соткано из «петель», откуда и берется ее название. Соедините эти петли вместе, и вы получите сеть, представляющую квантовое состояние гравитационного поля. Согласно этой картине, квантуется не только материя, но и само пространство. Эта научная область до сих пор активно разрабатывается.
Асимптотически безопасная гравитация
Асимптотическая свобода была разработана в 1970-х годах, чтобы объяснить необычный характер сильного взаимодействия: это была очень слабая сила на чрезвычайно коротких расстояниях, которая становилась сильнее по мере того, как заряженные частицы расходились дальше и дальше. В отличие от электромагнетизма, который имел небольшую константу взаимодействия, у сильного взаимодействия она была большая. Из-за некоторых интересных свойств квантовой хромодинамики, если вы связываетесь с нейтральной (цветной) системой, сила взаимодействия быстро падает. Это можно было объяснить физическими размерами барионов (протонов и нейтронов, например) и мезонов (пионов, к примеру).
Асимптотическая свобода, с другой стороны, решила фундаментальную проблему, связанную с этим: вам нужны не малые взаимодействия, связи (или связи, которые стремятся к нулю), а, скорее, связи, которые просто будут конечными при высокоэнергетическом пределе. Все константы связи меняются с энергией, и асимптотическая свобода ставит высокоэнергетическую неподвижную точку для константы (технически, для группы ренормировки, из которой извлекается константа связи), а все остальное можно рассчитывать для низких энергий.
Во всяком случае такова идея. Мы выяснили, как делать это для измерений 1 + 1 (одно пространственное и одно временное), но не для 3 + 1. Однако прогресс движется, во многом благодаря Кристофу Веттериху, который издал две грандиозных работы в 90-х годах. Не так давно Веттерих использовал асимптотическую свободу — всего шесть лет назад, — чтобы рассчитать предсказание массы бозона Хиггса еще перед тем, как БАК нашел его. Результат же?
Удивительно, но его предсказания идеально совпали с находками БАК. Это настолько прекрасное предсказание, что, если асимптотическая безопасность верна и массы топ-кварка, W-бозона и бозона Хиггса установлены окончательно, для стабильной работы вплоть до планковских величин физике не понадобятся другие фундаментальные частицы.
Хотя асимптотически безопасной гравитации не уделяют много внимания, она остается весьма привлекательной и многообещающей теорией, как и теория струн: успешно квантует гравитацию, сводит ОТО до предела низких энергией и остается УФ-конечной. Кроме того, она обходит теорию струн по одному параметру: в ней нет целой горы нового материала, который мы пока не можем доказать.
Причинная динамическая триангуляция
Эта идея довольно нова и была разработана в 2000 году Ренатой Лолл в коллаборации с другими учеными. Она сходится с петлевой квантовой гравитацией в том, что пространство дискретно, но в первую очередь озабочена тем, как это пространство развивается. Одно из интересных свойств этой идеи в том, что время тоже должно быть дискретно. В итоге мы получаем четырехмерное пространство-время в настоящем времени, но на очень высоких энергиях и малых расстояниях (в планковских масштабах) оно проявляется в виде двумерной структуры. В ее основе лежит математическая структура под названием симплекс, которая является n-мерным обобщением треугольника. 2-симплекс — это треугольник, 3-симплекс — тетраэдр, и так далее. Одна из «прекрасных» фишек этого проявляется в виде причинности — известного многим понятия — которая сохраняется в причинной динамической триангуляции. Возможно, она сможет объяснить гравитацию, но непонятно на 100%, сможет ли в эти рамки уместиться Стандартная модель элементарных частиц.
Возникающая (индуцированная) гравитация
Возможно, наиболее спорной из последних теорий квантовой гравитации является энтропийная гравитация, предложенная Эриком Верлинде в 2009 году, согласно модели которой гравитация является не фундаментальной силой, а скорее возникает как явление, связанное с энтропией. На самом деле корни возникающей гравитации уходят к открывателю условий образования асимметрии материи-антиматерии, Андрею Сахарову, который предложил эту идею еще в 1967 году. Работа по-прежнему находится в зачаточном состоянии, но за последние 5-10 лет на этом поле имеется некоторый прогресс.
Вот что у нас на сегодняшний день есть по квантовой гравитации. Мы уверены, что без нее не поймем работу Вселенной на фундаментальном уровне, но понятия не имеем, в каком направлении из представленных пяти (и других) движение будет верным.
hi-news.ru
Недостающая часть: почему найти квантовую теорию гравитации так сложно?
Использование математики в науке в целом и физике в частности часто описывается как язык, что рождает впечатление некоего секретного кода, который должен отпугнуть всяк сюда входящего, больше неприятность, чем необходимость. Здесь мы занимаемся не только наукой, но и ее популяризацией, а вы знаете, что для успешных продаж научных книг в них должно быть как можно меньше формул (старый анекдот, не так уж далек от истины). Но математика — это намного больше занудной базы формул и странных загогулин.
Математика — это первая линия дисциплины мысли. Очищенная от неопределенностей человеческого языка, математика является инструментом выведения последствий из предположений. Она незыблема для человеческой хрупкости и не знает жалости. Математика стоит на страже объективности.
Как работает современная теоретическая физика? Она строит теории, основанные на наборе предположений или аксиом, которые могут указываться неявно, а иногда вообще берутся как данность. Несмотря на это, будучи сформулированными в математических терминах, эти допущения становятся намного большим набором выводов, которые затем толкают физику вперед. Чтобы теория стала жизнеспособной в рамках нашей Вселенной, все эти выводы должны быть как внутренне непротиворечивы, не приводить к противоречиям, так и согласоваться с наблюдениями.
Теории, которые сегодня описывают природу, представлены на самом фундаментальном уровне общей теорией относительности и Стандартной моделью физики элементарных частиц. Общая теория относительности — это классическая теория, тогда как Стандартная модель — это квантовая теория поля. Первая не следует принципу неопределенности Гейзенберга, вторая — следует. Обе теории вместе могут описать все наблюдения, которые у нас есть на текущий момент, хотя некоторые аспекты этого описания остаются неудовлетворительными, например, недостающая микроскопическая структура темной материи. Сочетание этих двух теорий согласуется с наблюдением, но большая беда в том, что оно внутренне противоречиво.
Наиболее ярко это несоответствие демонстрируется проблемой потери информации черной дыры. Объединение общей теории относительности с квантовой теорией поля приводит к тому, что известно как квантовая теория поля в искривленном пространстве. Она частично классическая, частично квантованная теория, «полуклассическая гравитация». В этой комбинированной теории можно вычислить, что черные дыры излучают радиацию — излучение Хокинга, названное в честь его первооткрывателя.
Излучение Хокинга — это спектр излучения абсолютно черного тела с одним-единственным параметром: температурой, которая зависит от изначальной массы черной дыры. Это означает, что все черные дыры с одной начальной массой испаряются до одного конечного состояния, вне зависимости от того, из чего сформировались. Процесс образования черной дыры и последующее испарение, таким образом, необратимы: даже если мы полностью знаем конечное состояние, мы не можем определить изначальное состояние. Информация потеряна. Проблема в том, что такой принципиально необратимый процесс несовместим с квантовой теорией поля, которую мы используем для получения процесса: это внутреннее противоречие, несоответствие, так быть не может, не должно. Математика приводит нас к такому выводу.
Полуклассическая комбинация общей теории относительности и Стандартной модели приводит к другим проблемам. Мы не знаем, например, что происходит с гравитационным полем электрона, проходящего через двойную щель. Мы знаем, что волновая функция электрона в суперпозиции и проходит через обе щели, создавая статистическое распределение на экране при измерении. Мы также знаем, что электрон переносит энергию. И мы знаем, что энергия создает гравитационное поле. Но поскольку гравитационное поле — классическое, оно не может быть в суперпозиции и пройти через обе щели, подобно электрону. Что происходит с гравитационным полем электрона? Никто этого не знает, поскольку оно слишком слабое для измерения. Так просто и так сложно.
Третья причина, которая убеждает физиков, что сочетание общей теории относительности и Стандартной модели является неполным описанием природы, приводит нас к образованию сингулярностей при достаточно общих условиях. Сингулярности — это скопления бесконечной плотности энергии и бесконечной кривизны. Они нефизичны и не должны появляться в здравой теории. Сингулярности также появляются в гидродинамике, например, когда сжимается капля воды. В таком случае, однако, мы знаем, что сингулярность — это артефакт использования приближения — гидродинамики, — которое не будет работать на субатомных расстояниях. На самых коротких расстояниях мы должны использовать более фундаментальные теории (теории квантованных, дискретных частиц), чтобы описать каплю воды, и, как ожидается, сингулярности исчезают.
Считается, что квантование гравитации решит эти три проблемы, раскрывая структуру пространства-времени на очень коротких расстояниях. К сожалению, гравитация не квантуется подобно другим взаимодействиям в Стандартной модели. Применяя те же методы к гравитации, мы приходим к теории «эффективной квантовой гравитации», которая не может решить эти проблемы: она разрушается при сильной кривизне. Эта наивно («пертурбативно») квантованная гравитация никак не решает проблемы с сингулярностями и испарением черных дыр, поскольку работает только при слабой гравитации. Короче, в ней нет смысла. То, что физики называют «квантовой гравитацией», должно быть теорией, которая будет хороша вне зависимости от того, насколько сильной становится гравитация.
В настоящее время есть несколько теоретических подходов к квантовой гравитации. Наиболее известными являются асимптотически безопасная теория гравитации, петлевая квантовая гравитация, теория струн и причинная динамическая триангуляция, равно как и идеи, которые серьезно подходят к гидродинамическим аналогиям и рассматривают гравитацию как вытекающее явление. Пока мы не можем сказать, какой из подходов станет верным описанием природы.
На волне измерений поляризации космического микроволнового фона BICEP, было заявлено, что такое измерение предоставит свидетельства квантования гравитации. Это не совсем нет. Во-первых, учтите, что это опять же затрагивает слабые гравитационные поля и не является фундаментальной теорией квантовой гравитации. Кроме того, кто-то просто не позаботился сформулировать нормальный аргумент. Да, квантово-гравитационные флуктуации юной Вселенной могли оставить отпечаток на микроволновом фоне, который потенциально наблюдаем. Но куда сложнее продемонстрировать, что квантовая гравитация — единственный способ произвести наблюдаемые флуктуации. Должно быть что-то другое, доказательство вроде теоремы Белла, что классическая теория не может такое произвести, но они отсутствуют.
Квантовая гравитация — не очень большое исследовательское поле, если сравнить с физикой конденсированной материи или исследованиями рака, например. Сообщество этих ученых не очень большое, но оно привлекает массу общественного интереса. И вполне заслуженно. Без квантовой гравитации мы не узнаем, как на самом деле ведут себя пространство и время, а также не сможем понять, с чего началась наша Вселенная. Нам нужна квантовая гравитация, которая подскажет нам, что удерживает космос вместе и почему все это вот так, вот так, вот так, вот так.
hi-news.ru
Что такое гравитация простыми словами
Общее понятие гравитации
Гравитация – это, казалось бы, простое понятие, известное каждому человеку еще со времен школьной скамьи. Все мы помним историю о том, как на голову Ньютона упало яблоко, и он открыл закон всемирного тяготения. Однако все не так просто, как кажется. В той статье мы попытаемся дать ясный и исчерпывающий ответ на вопрос: что такое гравитация? А также рассмотрим главные мифы и заблуждения об этом интересном явлении.
Говоря простыми словами, гравитация — это притяжение между двумя любыми объектами во вселенной. Гравитацию можно определить, зная массу тел и расстояние от одного до другого. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше будет вес тела и выше его ускорение. Например, на Луне вес космонавта будет в шесть раз меньше, чем на Земле. Сила гравитационного поля зависит от размеров объекта, который оно окружает. Так, лунная сила притяжения в шесть раз ниже земной. Впервые обосновал это научно и доказал с помощью математических вычислений ещё в XVII веке Исаак Ньютон.
Что упало на голову Ньютону
Несмотря на то, что сам великий английский ученый частично подтверждал известную всем легенду о яблоке и ушибе головы, всё же, сейчас можно сказать с уверенностью, что при открытии закона всемирного тяготения обошлось без травм и озарений. Основой, заложившей новую эру в естественных науках, стал труд «Математические начала натуральной философии». В нем Ньютон описывает закон тяготения и важные законы механики, открытые им за долгие годы напряженной работы. Знаменитый физик был натурой неторопливой и рассудительной, как и положено гениальному ученому. А поэтому от начала раздумий о природе тяготения до издания научной работы о ней прошло больше 20 лет. Впрочем, легенда об упавшем фрукте могла иметь под собой и какие-то реальные основания, вот только голова физика однозначно осталась цела.
Законы притяжения изучались и до Исаака Ньютона самыми различными научными деятелями. Но только он впервые математически доказал прямую взаимосвязь между тяготением и движением планет. То есть падающим с ветки яблоком и вращением луны вокруг земли управляет одна и та же сила – гравитация. И она действует на любые два тела во вселенной. Эти открытия заложили основу так называемой небесной механики, а также науки о динамике. Ньютоновская модель господствовала в науке более двух веков вплоть до появления теории относительности и квантовой механики.
Что думают о гравитации современные ученые
Гравитация является самым слабым из четырех известных на данный момент фундаментальных взаимодействий, которым подчиняются все частицы и составленные из них тела. Помимо гравитационного взаимодействия сюда же входят электромагнитное, сильно и слабое. Исследуются они на основании разных теорий, так, например, в приближенных скоростях небольшой гравитации применяют теорию тяготения еще самого Ньютона. А в общем случае используют общую теорию относительности Эйнштейна. Кроме того, описание гравитации в квантовом пределе должно будет осуществляться при помощи еще не появившейся квантовой теории.
Безусловно, сегодня физика сложна и выходит далеко за рамки представлений об окружающем мире обычного человека. Но интересоваться ей необходимо хотя бы на уровне основных понятий, ведь вполне возможно, что уже в ближайшее время мы можем стать свидетелями удивительных открытий в этой области, которые кардинально изменят жизнь человечества. Будет неловко, если вы вообще не поймете, что происходит.
Мифы о гравитации
Не только незнание, но и постоянные новые открытия в данной научной сфере порождают различные несуразицы и мифы о гравитации. Итак, несколько общепринятых заблуждений об этом уникальном явлении:
- Искусственные спутники никогда не сойдут с орбиты Земли и будут вечно вращаться вокруг неё. Это неправда. Дело в том, что помимо земного притяжения в космосе имеются и другие различные факторы, влияющие на орбиту тел. Это и торможение атмосферы для низких орбит и гравитационные поля Луны и других планет. Скорее всего, если дать спутнику вращаться без контроля на долгое время, его орбита будет изменяться, и в конечном счете он либо улетит в космические просторы, либо упадет на поверхность ближайшего тела.
- В космосе отсутствует гравитация. Даже на станциях, на которых космонавты пребывают в невесомости есть довольно сильная гравитация, чуть меньше, чем на Земле. Почему же тогда они не падают? Можно сказать, что сотрудники станции как бы находятся в состоянии постоянного падения, но никак упадут.
- Объект, приблизившийся к чёрной дыре, будет разорван. Довольно известный миф. Сила притяжение черной дыры действительно увеличится при приближении к ней, но совсем не обязательно, что приливные силы окажутся настолько мощными. Скорее всего они на горизонте событий обладают конечным значением, поскольку расстояние считается от центра дыры.
requesto.ru
Квант гравитации : Пургаторий (Ф)
Введем понятия: Объект - существующее в пространстве материальное образование. Вещество – существующее в пространстве содержание, обладающее свойствами и образующее объекты. Выделенный объем (ВО) – некий объем, заключающий в себя количество вещества, достаточное для образования n - числа галактик. Макрообъем (МО) –некий объем, заключающий в себя m –число выделенных объемов. Плотность вещества (ПВ) – отношение количества вещества к объему, его содержащему. Силы взаимодействия (F) –силы взаимодействия между образованными из вещества объектами.
Рассмотрим закономерности распределения вещества во вселенной. Для рассмотрения данных закономерностей необходимо выбрать некий эталон равномерности распределения вещества и критерий неравномерности распределения вещества. Существует только два теоретически возможных состояния вещества соответствующих требованиям предъявляемым к эталону равномерности распределения вещества. Вариант 1. Некий объем не заполненный материальными образованиями то есть не содержащий вещество, имеющий плотность содержания вещества равную нолю. Вариант 2. Некий объем равномерно заполненный материальными образованиями, то есть содержащий равномерно распределенное вещество, имеющий плотность содержания вещества равную некому значению. Кроме описанных вариантов не существует ни какого другого способа распределить вещество по объему более равномерно. Следовательно выбор эталона равномерности может быть осуществлен только из указанных выше вариантов. Рассмотрим оба описанных варианта подробней. Вариант 2. Некий объем равномерно заполненный материальными образованиями, однозначно представляет собой совокупность отдельно взятых неравномерностей. В тоже время Вариант 1. Некий объем не заполненный материальными образованиями, может быть рассмотрен как частный случай варианта 2 , имеющий плотность содержания вещества стремящуюся к нолю. Исходя из чего принимаем за эталон равномерности вариант1, то есть некий объем не заполненный материальными образованиями, не содержащий вещество, имеющий плотность содержания вещества равную нолю. Исходя из того что критерий неравномерности должен отражать состояние вещества противоположное равномерному, примем за критерий неравномерности распределения вещества - отношение количества вещества к объему, его содержащему. Рассмотрим закономерности распределения вещества во вселенной. Для любого из рассматриваемых объемов, при любом количестве вещества, показатель неравномерности (отношение количества вещества к объему его содержащему) всего объема будет меньше (или равен для частного случая) максимального из показателей неравномерности составляющих его объемов. Данная зависимость действительна при любых цифровых значениях, и при всех теоретически возможных вариантах распределения вещества в объеме. Поскольку ни какого другого теоретически возможного решения данной зависимости не существует , утверждение: показатель неравномерности (отношение количества вещества к объему его содержащему) всего объема будет меньше (или равен для частного случая) максимального из показателей неравномерности составляющих его объемов; принимаем как доказанное и единственно возможное. Из описанной зависимости однозначно следует , что увеличивая объем заключающий в себя зону максимальной неравномерности (определенную согласно критерия) и соизмеряя показатель неравномерности увеличивающегося объема с показателем неравномерности первоначального объема, мы получаем повышение равномерности распределения вещества увеличивающегося объема. Данная ситуация жестко регламентируется ранее описанной зависимостью и не подразумевает ни каких других теоретически возможных вариантов решения, в силу чего является бесспорной, а ее единственное решение доказанным. С увеличением рассматриваемого объема увеличивается равномерность распределения по нему вещества, следовательно для двух равных выделенных объемов ВО1 и ВО2 , при их достаточной (стремящейся к бесконечности) объемности, значения плотностей вещества ПВ1 и ПВ2 будут соответственно равны. Данный вывод является единственно возможным , прямым следствием выше доказанного утверждения. Исходя из того что наука (физика и геометрия) предусматривает только два теоретически возможных варианта немеханического приложения сил к любым объектам, а именно посредством приложения сил отталкивания и приложения сил притяжения (следовательно приложение каких либо других сил невозможно и противоречит науке), мы имеем основание утверждать что доказав несостоятельность одного из описанных способов приложения сил, мы тем самым исключаем его из двух теоретически возможных способов приложения сил к объектам. Разместим выделенный объем ВО в центре некого, гораздо большего, макро объема МО. Зададим выделенному объему плотность вещества, не равную единице. Зададим силы взаимодействия (из числа теоретически возможных). Смоделировав процессы, получаем следующее. Для описанной схемы, теоретически возможны только четыре ситуации обусловленные: двумя вариантами приложения сил к объектам и двумя вариантами задания плотности вещества. Каждая из описанных ситуаций имеет только одну теоретически возможную последовательность развития событий (то есть другие варианты не возможны). Варианты с силами притяжения при плотности вещества ПВ>1 приводят к возникновению ускоряющегося процесса образования макротела, а при плотности вещества ПВ<1 соответственно разряженной области, следовательно имеют признаки неустойчивого равновесия и несовместимы с условием продолжительного существования объектов. Варианты с силами отталкивания в обоих случаях и при плотности ПВ<1 и при плотности вещества ПВ>1 приводят к выравниванию общего значения плотности вещества содержащегося в макро объеме, а следовательно соответствуют признакам устойчивого равновесия. По каждой из четырех описанных ситуаций при любом научно обоснованном подходе возможен только один сценарий развития событий, то есть другие сценарии невозможны. В силу того что мы рассмотрели все теоретически возможные варианты развития данного естественного вселенского процесса, а результаты этого рассмотрения однозначно говорят о невозможности какого либо длительного существования планетарных систем на силах притяжения , в то же время о возможности существования планетарных систем на силах отталкивания, делаем следующие выводы:
Вывод.
Гипотеза о том , что гравитация обусловлена силами притяжения – является не верной. Возможны только два варианта существования гравитационных сил: Вариант 1: составляющие сил гравитации являются силами отталкивания. При этом силы притяжения в привычном понимании отсутствуют. Вариант 2: силы гравитации образуются в результате действия двух видов составляющих: составляющих отталкивания и составляющих притяжения, причем последние значительно меньше составляющих отталкивания, а результирующие силы обоих видов составляющих однозначно являются силами отталкивания, образующими в свою очередь в объемной схеме силы, притягивающие объекты друг к другу, т.е. силы гравитации.
Силы гравитации образуются за счет возможности близлежащего объекта ограничивать воздействие сил отталкивания от расположенного за ним комплекса удаленных объектов.
Из условия равности плотностей наличия выделенных объемов мы имеем в любом направлении от рассматриваемого объекта равное количество вещества и, как следствие, равное значение гравитационного потенциала. Следовательно, весь комплекс удаленных объектов, для удобства вычислений, может быть приведен к сфере, центр которой совпадает с центром рассматриваемого объекта, с направленными к тому же центру составляющими сил гравитации. (рис. 2) Любой другой рассматриваемый объект может быть приведен к подобной схеме, в которой комплекс удаленных объектов, по сути являющийся тем же, что и в предыдущем случае, будучи выраженный через сферу, имеет центр, не совпадающий с центром первой сферы.
Гравитационный потенциал в любых двух точках выделенного объема равен между собой и одновременно является максимальным значением гравитационного потенциала по всему ВО. http://man.khakassia.ru/rus_science.php
dxdy.ru
20 фактов о гравитации
За счет гравитации существует вселенная: все тела притягиваются друг к другу в той или иной степени. И чем больше тело, тем сильнее оно притягивает к себе другие тела. Можно сказать, что гравитация — это своеобразная нитка, которая не позволяет планетам разлететься далеко от Солнца.
Гравитация не дуальна
Интересен тот факт, что нас с детства учат: все имеет оборотную сторону: если предмет врезался в другой предмет, то последний отлетит. Если ты обидел кого-то, то тебя обязательно кто-о тоже обидит. Для гравитации это правило не справедливо: она работает только в одну сторону: гравитация только притягивает и никогда не отталкивает!
NASA работает над созданием луча гравитации
NASA уже не первый год трудится над созданием луча, который бы смог передвигать предметы, создавая притягивающую силу, преодолевая силу гравитации. Это действительно будет прорыв: бесконтактное перемещение объектов.
Нулевой гравитации не существует
Космонавты на космических станциях испытывают не нулевую гравитацию, а микрогравитацию, т.к. они падают с той же скоростью, что и корабль, в котором они находятся.
На Юпитере вес человека удваивается
Также интересным фактом о гравитации является то, что чем больше предмет и чем больше его плотность, тем сильнее он притягивает остальные объекты. Так, например, человек весом 60 килограмм на Юпитере будет весить 142 килограмма (в 2.3 раза больше).
Как выйти из гравитации
Любой объект, который достиг скорости 11,2 километра в секунду может покинуть гравитационный колодец Земли. Именно с этой скоростью земля падает.
Гравитация — это самая слабая фундаментальная сила
Всего в физике 4 фундаментальные силы:
- Гравитация.
- Электромагнетизм.
- Слабое ядерное взаимодействие — распад атомов.
- Сильное ядерное взаимодействие — сила, которая держит атомы вместе.
Магнит с легкостью преодолевает гравитацию
Магнит размером с копейку благодаря своей силе электромагнитного воздействия приклеится к холодильнику и не будет падать, т.е. преодолеет силу гравитации Земли.
Яблоко не падало на голову Ньютону
Исаак Ньютон, увидев, как падает яблоко сделал впоследствии вывод, что на подобии того, как яблоко притягивается к Земле, Луна аналогично притягивается. А так как она далеко, то сила гравитации ослаблена, да еще и постоянно падает, однако упасть ей не дает все та же гравитация, то получается, что Луна просто вращается вокруг Земли.
Яблоко открыло закон обратной квадратичной пропорциональности
Записать закон можно так: F = G * (mM)/r2. А по русски сказать так: объект, удаленный от вас в два раза, оказывает лишь четверть прежнего гравитационного притяжения на вас.
Гравитация безгранична
согласно предыдущему закону, сила гравитации распространяется на любом расстоянии. Просто, чем оно больше, тем она слабее. Не стоит забывать о том, что стоя между двух равнозначных тел гравитацию вы не испытаете, поскольку она уравняется с обоих сторон.
Гравитация означает «тяжелый»
Слово «гравитация» произошло от латинского слова «gravis».
Гравитация не зависит от веса
Если бросить с крыши два мячика одинакового размера, но разного веса, то они упадут одновременно. Поскольку сила гравитации действует на все объекты в равной степени. Большая инерция более тяжёлого объекта аннулирует любую дополнительную скорость, которую он мог бы иметь по сравнению с более лёгким.
Гравитация искривляет пространство и время
Согласно теории относительности Эйнштейна гравитация — это ни что иное, как искривление пространства и времени, из которого состоит вселенная.
Объекты меняют пространство и время вокруг себя
В 2011 году эксперимент NASA «Гравитационного зонда В» доказал, что Земля закручивает вокруг себя вселенную. Можно провести аналогию с деревянным шариком, который плывет по течению реки: он всегда будет крутиться и закручивать воду, поскольку на него действует гравитация Земли, и плюс к этому он обладает собственной гравитацией.
Гравитация меняет направление света
Любой массивный объект, например, стеклянная линза, искривляя пространство вокруг себя, способен перенаправить луч света, который проходит через него. Гравитационные линзы с легкостью увеличивают размер далеких галактик.
Проблема трех тел до сих пор не решена
Если абстрагироваться и представить, что во вселенной всего три тела. А мы знаем, что все тела обладают гравитацией и притягивают к себе другие тела. Как они будут двигаться относительно друг друга?
Есть пять решений этой задачи, однако все они подразумевают, что изначально известны начальная скорость и направление движения каждого тела. В оригинале в качестве тел выступают Солнце, Земля и Луна. Если решить задачу, то можно предположить, откуда возникла вселенная.
Квантовая механика не учитывает гравитацию
Ни в одном уравнении квантовой механики не учитываются силы гравитации, однако все остальные три силы в них присутствуют. Если же включить гравитацию в уравнения, то их равенство мгновенно рушится. Эта одна из крупнейших проблем современной физики.
Гравитационные волны — это лишь предположение
Факты о гравитации говорят, что объекты не могут просто так притягивать друг друга, между ними должна быть связь. Предположительно (почти доказано), эта связь ни что иное, как гравитационные волны. Если человечество сможет их увидеть, то ему откроются миллионы ответов на вопросы о космосе, поскольку оно сможет увидеть все связи между объектами, даже бесконечные.
vse-krugom.ru
Петлевая квантовая гравитация - это... Что такое Петлевая квантовая гравитация?
Петлевая квантовая гравитация — одна из теорий квантовой гравитации.
История возникновения
Родоначальниками «петлевой квантовой теории гравитации» в 80-е годы XX века являются Ли Смолин, Абэй Аштекар, Тэд Джекобсон (англ.) и Карло Ровелли (англ.).
Согласно этой теории, пространство и время состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время.Петлевая гравитация и физика элементарных частиц
Одним из преимуществ петлевой квантовой теории гравитации является естественность, с которой в ней получает своё объяснение Стандартная модель физики элементарных частиц.
В своей статье 2005 года[1], С. Бильсон-Томпсон (Sundance Bilson-Thompson) предложил модель (по-видимому основанную на более общей теории брэдов (математических кос) М. Хованова[2][3]), в которой ришоны Харари (Harari) были преобразованы в протяжённые лентообразные объекты, называемые риббонами. Потенциально это могло бы объяснить причины самоорганизации субкомпонентов элементарных частиц, приводящие к возникновению цветового заряда, в то время как в предыдущей преонной (ришонной) модели базовыми элементами являлись точечные частицы, а цветовой заряд постулировался. Бильсон-Томпсон называет свои протяжённые риббоны «гелонами», а модель — гелонной. Данная модель приводит к интерпретации электрического заряда как топологической сущности, возникающей при перекручивании риббонов.
Во второй статье, опубликованной Бильсоном-Томпсоном в 2006 г. совместно с Ф. Маркополу (Fotini Markopolou) и Л. Смолиным (Lee Smolin) предположили, что для любой теории квантовой гравитации, относящейся к классу петлевых, в которых пространство-время квантовано, возбуждённые состояния самого пространства-времени могут играть роль преонов, приводящих к возникновению стандартной модели как эмергентному свойству теории квантовой гравитации[4].
Таким образом, Бильсон-Томпсон с соавторами предположили, что теория петлевой квантовой гравитации может воспроизвести Стандартную модель, автоматически объединяя все четыре фундаментальных взаимодействия. При этом с помощью преонов, представленных в виде брэдов (переплетений волокнистого пространства-времени) удалось построить успешную модель первого поколения фундаментальных фермионов (кварков и лептонов) с более-менее правильным воспроизведением их зарядов и четностей[4].
В исходной статье Бильсона-Томпсона предполагалось, что фундаментальные фермионы второго и третьего поколений могут быть представлены в виде более сложных брэдов, а фермионы первого поколения представляются простейшими из возможных брэдов, хотя конкретных представлений сложных брэдов не давалось. Считается, что электрический и цветовой заряды, а также чётность частиц, принадлежащих к поколениям более высокого ранга, должны получаться точно таким же образом, как и для частиц первого поколения. Использование методов квантовых вычислений позволило показать, что такого рода частицы устойчивы и не распадаются под действием квантовых флуктуаций[5].
Ленточные структуры в модели Бильсона-Томпсона представлены в виде сущностей, состоящих из той же материи, что и само пространство-время[5]. Хотя в статьях Бильсона-Томпсона и показано, как из этих структур можно получить фермионы и бозоны, вопрос о том, как с помощью брэдинга можно было бы получить бозон Хиггса, в них не обсуждается.
Л. Фрейдель (L. Freidel), Дж. Ковальский-Гликман (J. Kowalski-Glikman) и А. Стародубцев в своей статье 2006 года высказали предположение, что элементарные частицы можно представить с помощью линий Вильсона гравитационного поля, подразумевая, что свойства частиц (их массы, энергии и спины) могут соответствовать свойствам петель Вильсона — базовым объектам теории петлевой квантовой гравитации. Эту работу можно рассматривать в качестве дополнительной теоретической поддержки преонной модели Бильсона-Томпсона[6].
Используя формализм модели спиновой пены, имеющей непосредственное отношение к теории петлевой квантовой гравитации, и базируясь лишь на исходных принципах последней, можно также воспроизвести и некоторые другие частицы Стандартной модели, такие как фотоны, глюоны[7] и гравитоны[8][9] — независимо от схемы брэдов Бильсона-Томпсона для фермионов. Однако, по состоянию на 2006 год, с помощью этого формализма пока не удалось построить модели гелонов. В модели гелонов отсутствуют брэды, которые можно было бы использовать для построения бозона Хиггса, но в принципе данная модель не отрицает возможности существования этого бозона в виде некоей композитной системы. Бильсон-Томпсон отмечает, что, поскольку частицы с бо́льшими массами в основном имеют более сложную внутреннюю структуру (учитывая также перекручивание брэдов), то эта структура возможно имеет отношение к механизму формирования массы. Например, в модели Бильсона-Томпсона структура фотона, имеющего нулевую массу, соответствует неперекрученным брэдам. Правда, пока остается неясным, соответствует ли модель фотона, полученная в рамках формализма спиновой пены[7], фотону Бильсона-Томпсона, который в его модели состоит из трех незакрученных риббонов[4] (возможно, что в рамках формализма спиновой пены можно построить несколько вариантов модели фотона).
Первоначально понятие «преон» использовалось для обозначения точечных субчастиц, входящих в структуру фермионов с половинным спином (лептонов и кварков). Как уже упоминалось, использование точечных частиц приводит к парадоксу массы. В модели Бильсона-Томпсона риббоны не являются «классическими» точечными структурами. Бильсон-Томпсон использует термин «преон» для сохранения преемственности в терминологии, но обозначает с помощью этого термина более широкий класс объектов, являющихся компонентами структуры кварков, лептонов и калибровочных бозонов.
Важным для понимания подхода Бильсона-Томпсона является то, что в его преонной модели элементарные частицы, такие как электрон, описываются в терминах волновых функций. Сумма квантовых состояний спиновой пены, имеющих когерентные фазы, также описывается в терминах волновой функции. Поэтому возможно, что с помощью формализма спиновой пены можно получить волновые функции, соответствующие элементарным частицам (фотонам и электронам). В настоящее время объединение теории элементарных частиц с теорией петлевой квантовой гравитации является весьма активной областью исследований[10].
В октябре 2006 г. Бильсон-Томпсон модифицировал свою статью[11], отмечая, что, хотя его модель и была инспирирована преонными моделями, но она не является преонной в строгом смысле этого слова, поэтому топологические диаграммы из его преонной модели скорее всего можно использовать и в других фундаментальные теориях, таких как, например, М-теория. Теоретические ограничения, накладываемые на преонные модели, неприменимы к его модели, поскольку в ней свойства элементарных частиц возникают не из свойств субчастиц, а из связей этих субчастиц друг с другом (брэдов). В модифицированной версии его статьи Бильсон-Томпсон признает, что нерешенными проблемами в его модели остаются спектр масс частиц, спины, смешивание Кабиббо, а также необходимость привязки его модели к более фундаментальным теориям. Одной из возможностей является, например, «встраивание» преонов в М-теорию или в теорию петлевой квантовой гравитации.
В более позднем варианте статьи[12] описывается динамика брэдов с помощью переходов Пачнера (англ. Pachner moves).
См. также
Источники и иллюстрации
Литература
- Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity, Basic Books, 2001.
- John Baez, The Quantum of Area?, Nature, vol.421, pp. 702—703; February 2003.
- Lee Smolin, How Far Are We from the Quantum Theory of Gravity?, arxiv.org/hep-th/0303185.
- Welcome to Quantum Gravity. Special Section, Physics World, Vol.16, No.11, pp. 27-50; November 2003.
- Lee Smolin, Loop Quantum Gravity, The third culture.
Примечания
dikc.academic.ru
10 загадок пространства - времени, которые сможет решить квантовая гравитация.
Общая теория относительности Эйнштейна, в которой гравитация рождается вследствие искривления пространства - времени, замечательна. Она была подтверждена с невероятным уровнем точности, в некоторых случаях до пятнадцати знаков после запятой. Одним из самых интересных ее предсказаний было существование гравитационных волн: ряби в пространстве - времени, которая свободно распространяется. Не так давно эти волны были пойманы детекторами Ligo и Virgo.И все же существует много вопросов, ответов на которые у нас пока нет. Квантовая гравитация могла бы помочь их найти.Мы знаем, что общая теория относительности неполна. Она хорошо проявляет себя, когда квантовые эффекты пространства - времени совсем незаметны, а это почти всегда. Но когда квантовые эффекты пространства - времени становятся большими, нам нужна теория получше: теория квантовой гравитации.
Поскольку мы пока не составили теорию квантовой гравитации, мы не знаем, что такое пространство и время. У нас есть несколько подходящих теорий для квантовой гравитации, но ни одна из них не принята широко. Тем не менее, исходя из существующих подходов, мы можем предположить, что может произойти с пространством и временем в теории квантовой гравитации. Физик Сабина хоссфендер десять поразительных примеров собрала.1 в квантовой гравитации в пространстве - времени будут дикие флуктуации даже в отсутствие вещества. В квантовом мире вакуум никогда не пребывает в состоянии покоя, равно как и пространство и время.
2 квантовое пространство - время может быть заполнено микроскопическими черными дырами. Более того, в нем могут быть червоточины или рождаться младенческие вселенные - как маленькие пузырьки, которые отрываются от материнской вселенной.3 и поскольку это квантовая теория, пространство - время может делать все это одновременно. Оно может одновременно создавать младенческую вселенную и не создавать ее.
4 в большинстве подходов к квантовой гравитации, пространство - время не фундаментально, а состоит из чего-то еще. Это могут быть струны, петли, кубиты или варианты "Атомов" пространства - времени, которые появляются в подходах с конденсированной материей. Отдельные составляющие можно разобрать лишь с применением высочайших энергий, намного превышающих те, что доступны нам на земле.5 в некоторых подходах с конденсированной материей пространство - время обладает свойствами твердого или жидкого тела, то есть может быть эластичным или вязким. В случае если это действительно так, неизбежны наблюдаемые последствия. Физики в настоящее время ищут следы подобных эффектов в странствующих частицах, то есть в свете или электронах, которые добираются к нам из далекого космоса.
6 пространство - время может влиять на то, как свет через него проходит. Оно может не быть полностью прозрачным, либо же свет разных цветов может двигаться с разной скоростью. В случае если квантовое пространство - время влияет на распространение света, это тоже можно будет наблюдать в будущих экспериментах.7 флуктуации пространства - времени могут разрушать способность света от удаленных источников создавать интерференционные картины. Этот эффект искали и не нашли, по крайней мере в видимом диапазоне.
8 в областях сильной кривизны время может превращаться в пространство. Это может происходить, например, внутри черных дыр или при большом взрыве. В таком случае известное нам пространство - время с тремя пространственными и измерениями и одним временным может превращаться в четырехмерное "Евклидово" пространство.Пространство - время может быть нелокально связано с крошечными червоточинами, пронизывающими всю вселенную. Такие нелокальные соединения должны существовать во всех подходах, чья базовая структура не является геометрической вроде графа или сети. Это связано с тем, что в таких случаях понятие "Близости" будет не фундаментальным, а вытекающим и несовершенным, так что удаленные области могут быть случайно связанными.10 возможно, чтобы объединить квантовую теорию с гравитацией, нам нужно обновить не гравитацию, а саму квантовую теорию. Внимание! Только в том случае, если это так, последствия будут далеко идущими. Поскольку квантовая теория лежит в основе всех электронных устройств, ее пересмотр откроет совершенно новые возможности.Хотя квантовая гравитация часто рассматривается как сугубо теоретическая идея, существует множество возможностей для проведения экспериментальной проверки. Все мы путешествуем через пространство - время каждый день. Его понимание может изменить нашу жизнь. Источник: hi - News. ru.
science.ru-land.com
