Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

В ОТО, как мы видели, геометрия пространства оказывается динамической. Она развивается во времени в ответ на движение материи или распространение гравитационных волн. Но если геометрия на самом деле является квантовой на Планковском масштабе, изменения в геометрии пространства должны происходить из изменений, имеющих место на этом масштабе. Например, должны быть осцилляции в квантовой геометрии пространства, соответствующие прохождению гравитационной волны. Триумфом петлевой квантовой гравитации стало то, что динамика пространства-времени, которая задается в ОТО уравнениями Эйнштейна, действительно может быть закодирована простыми правилами, по которым граф эволюционирует во времени[143]. Это проиллюстрировано на Рис. 15

.

Это перекодирование уравнений Эйнштейна в правила для изменения графов работает в обе стороны. Вы можете начать с теории Эйнштейна и проследовать по процедуре превращения классической теории в квантовую теорию. Эта процедура была разработана и проверена на многих других теориях. Применение ее к ОТО является упражнением, требующим в техническом смысле напряжения сил, но после ее аккуратного проведения она приводит к картине, которую мы здесь описали, с точными правилами для изменения графов во времени. Таким образом, мы называем петлевую квантовую гравитацию «квантованием» ОТО[144].

Рис. 15

. Правила, по которым графы эволюционируют во времени в петлевой квантовой гравитации. Каждый кадр может служить малой частью графа, как показано на рисунке.

В качестве альтернативы мы можем стартовать с квантовых правил для изменения графов и поинтересоваться, могут ли правила классической ОТО быть выведены как приближение к квантовым правилам. Это аналог вывода уравнений, которые описывают течение воды из фундаментальных законов, которым подчиняются атомы, составляющие воду. Это упражнение называется выводом классической теории из классического предела квантовой теории. Это сложно, но с недавних пор имеются положительные результаты в петлевой квантовой гравитации[145]. Они использовали пространственно-временной подход к квантовому пространству-времени, именуемому моделью спиновой пены, в которой сеть, лежащая в основе геометрии пространства, рассматривается как часть большей сети, охватывающей пространство и время. Отсюда спиновая пена дает квантовую версию картины монолитной вселенной, в которой пространство и время объединены в единую структуру. Что особенно впечатляет, так это что имеются некоторые независимые результаты, показывающие возникновение ОТО из моделей спиновой пены.

Легко добавить в картину квантовой геометрии даже материю. История та же, что и в модели решетки, только теперь решетка может изменяться. Мы можем вставлять частицы в узлы или вершины. Они двигаются, прыгая от узла к узлу вдоль ребер, точно так же, как и в модели решетки. Если вы посмотрите в достаточной степени издалека, вы не увидите узлы и графы, вы увидите только гладкую геометрию, которая их аппроксимирует. Частицы тогда будут выглядеть, как будто они путешествуют через пространство. Так что возможно, что когда мы кидаем мяч, на самом деле происходит то, что атомы в мяче перепрыгивают от атома пространства к атому пространства и к атому пространства.

Однако, результаты, которые показывают, что ОТО возникает из петлевой квантовой гравитации, как бы важны они ни были, достигаются с некоторыми ограничениями. В некоторых случаях описание ограничено малой областью пространства-времени, окруженной границей. Наличие границы говорит нам, что петлевая квантовая гравитация лучше понимается как описание малой области пространства-времени, и поэтому соответствует Ньютоновской парадигме.

Имеются также результаты в теории струн, наводящие на мысль, что пространство-время может появляться в ограниченной области — по меньшей мере, когда космологическая константа принимает отрицательное значение. Они возникают в контексте дуальности между ОТО и масштабно-инвариантной теорией, гипотезу о которой высказал Хуан Малдасена, о чем я упоминал в Главе 14. Если эта гипотеза верна — а многие результаты ее поддерживают — тогда классическое пространство-время может появляться во внутренней области, граница которой имеет фиксированную классическую геометрию.

Таким образом, и петлевая квантовая гравитация и теория струн намекают, что квантовая гравитация может быть понята как описание областей пространства-времени с границами, поэтому укладывается в рамки Ньютоновской парадигмы. Их самые сильные результаты достигнуты в контексте физики в ящике, без обращения к проблеме, может или не может описание быть масштабировано к теории целой замкнутой вселенной.