Кіріспе

Физикада "батпақ жер" термині кванттық гравитациямен үйлесімсіз тиімді төмен энергиялы физикалық теорияларды білдіреді. Бұл, "сым теориясының ландшафты" деп аталатын, сым теориясымен үйлесімді екені белгілі, және гравитацияның тұрақты кванттық теориясы деп саналатын нәрседен өзгеше. Басқаша айтқанда, батпақ жер – гравитация қосылғанда, тұрақты ультракөк сәулелік толықтамасы жоқ, тұрақты көрінетін теориялардың жиынтығы. Сым теориясының дамуы жалған вакуумның сым теориясы ландшафтының өте кең екенін көрсетеді, сондықтан ландшафт аномалиясыз тиімді өріс теориялары рұқсат еткендей кең бе, деген сұрақ туындайды. "Батпақ жер" бағдарламасы гравитациялық ультракөк сәулелік толықтамасы бар барлық теориялар арасындағы ортақ әмбебап принциптерді анықтау арқылы кванттық гравитация теориясын анықтауға бағытталған. Бағдарламаны Камрун Вафа бастады, ол сым теориясы батпақ жерінің шын мәнінде сым теориясы ландшафтынан әлдеқайда үлкен екенін көрсеткенін айтты. Кванттық гравитация кванттық өріс теориясынан бірнеше маңызды тұрғыдан ерекшеленеді, оның ішінде локальдық және ультракөк/инфрақызыл ажыратылуы бар. Кванттық гравитацияда байқалатын құрылым фундаменталды емес, пайда болатын нәрсе. Локальдық пайда болуының нақты мысалы – AdS/CFT, онда көлемдегі локальдық кванттық өріс теориясының сипаттамасы теорияның белгілі бір шектерінде ғана пайда болатын жуықтау ғана. Сонымен қатар, кванттық гравитацияда әртүрлі кеңістік-уақыт топологиялары гравитациялық жол интегралына үлес қосуы мүмкін, бұл кеңістік-уақыттың бір шешімнің басым болуына байланысты пайда болатынын көрсетеді. Сонымен қатар, кванттық гравитацияда ультракөк және инфрақызыл өте тығыз байланысты. Бұл байланыс қара тесік термодинамикасында көрінеді, онда жартылай классикалық инфрақызыл теория қара тесік энтропиясын есептейді, ол қара тесіктер деп аталатын гравитациялық ультракөк күйлердің тығыздығын қамтиды. Қара тесік физикасына негізделген жалпы аргументтерге қоса, сым теориясының дамуы сым ландшафтындағы барлық теориялар арасында ортақ әмбебап принциптер бар екенін көрсетеді. "Батпақ жер" болжамдары – кванттық гравитация ландшафтындағы теорияларға қатысты болжамдық критерийлер жиынтығы. Критерийлер көбінесе қара тесік физикасымен, сым теориясындағы әмбебап үлгілермен және бір-бірімен байланысты тривиалды емес өзіндік сәйкестіктермен негізделген.

Жаһандық симметрия жорамасы жоқ

Глобалды симметриясыздық болжамы кванттық гравитациядағы кез келген симметрия бұзылады немесе өлшенеді дейді. Яғни, кванттық гравитацияда кездейсоқ симметриялар жоқ. Бұл болжамның бастапқы себебі қара тесіктерге қатысты. Кез келген қара тесіктің Хокинг сәулесі қара тесіктің сыртында өлшенетін зарядтарға ғана сезімтал, ал бұл зарядтар – өлшегіш симметриялар бойынша зарядтар. Сондықтан, қара тесіктердің пайда болуы мен булану процесі өлшегіш симметриямен қорғалмаған кез келген сақталу заңын бұзады деп саналады. Глобалды симметриясыздық болжамын AdS/CFT сәйкестігі арқылы AdS кеңістігінде де алуға болады.

Жоғары формалы симметрияларға жалпылау

Қазіргі заманғы жаһандық және өлшегіш симметрияларды түсіну, жаһандық симметриясыз болжамдарды жоғары формалы симметрияларға табиғи түрде жалпылауға мүмкіндік береді. Дәстүрлі симметрия (0 формалы симметрия) – нүктелі операторларға әсер ететін түрлендіру. Мысалы, еркін күрделі скалярлы өріс, операторға түрлендіретін симметрияға ие, мұндағы тұрақты шама. Бұл симметрияны кез келген симметриялық элементке және кодименсиясы 1 болатын гипербетке операторды сәйкестендіруге болады, сонда ол кез келген зарядталған жергілікті операторды, мысалы, нүктесі осы гипербеттің ішінде (немесе оған байланысты) болған жағдайда, түрлендіреді. Анықтама бойынша, оператордың әрекеті, зарядталған операторға тигенше, үздіксіз деформацияға қарамастан өзгермейді. Осы ерекшелікке байланысты, оператор топологиялық оператор деп аталады. Егер симметрия операторларын біріктіретін алгебрада керісі жоқ элемент болса, онда сәйкес симметрия кері емес симметрия деп аталады. Жоғарыдағы анықтамалар жоғары өлшемді зарядталған операторларға да қолданылады. Өлшемді операторларға тривиальды емес әсер ететін және бірігу кезінде жабылатын кодименсиясы топологиялық операторлардың жиынтығы формалы симметрия деп аталады. Симметриясы бар жоғары өлшемді теорияны өлшемді торда ықшамдау, жоғары формалы симметрияны төмен өлшемді теориядағы формалы симметрияға түрлендіре алады. Сондықтан, жоғары формалы жаһандық симметриялар кванттық гравитациядан да жоғары деп есептеледі. Қызығы, өлшегіш симметриясы бұл анықтаманы қанағаттандырмайды, себебі өлшеу процесінде кез келген жергілікті зарядталған оператор физикалық спектрден шығарылады.

Кобордтық болжам

Глобалды симметриялар сақтау заңдарымен тығыз байланысты. Глобалды симметрия болмауы туралы болжам негізінен, өлшегіш симметриямен қорғалмаған кез келген сақтау заңы динамикалық процесс арқылы бұзылуы мүмкін деп айтады. Осы түсінік кобордизм болжамына алып келеді. Бір-бірінен айырылмайтын, шексіз өлшемдері және ішкі геометриялары бар екі фонға орналастырыла алатын гравитациялық теорияны қарастырайық. Кобордизм болжамы екі фонды бір-бірімен байланыстыратын динамикалық процесс болуы керек демекші. Басқаша айтқанда, төменгі өлшемді теорияда екі фонды бөліп тұратын домендік қабырға болуы тиіс. Бұл математикадағы кобордизм идеясына ұқсас, ол жоғары өлшемді кеңістік арқылы екі манифольдты байланыстыра отырып, екі манифольд арасында көпір салады.

Спектрлік гипотезаның толықтығы

Кванттық гравитацияда кез келген өлшеу симметриясы бойынша зарядтар спектрі толығымен іске асырылады деп есептейтін спектрлік гипотезаның толықтығы туралы болжам бар. Бұл болжамды string теориясы толығымен растайды, бірақ қара тесік физикасы да оны қолдайды. Зарядталған қара тесіктердің энтропиясы нөлдік емес. Энтропияның экспонентасы күйлер санын анықтайтындықтан, қара тесіктердің нөлдік емес энтропиясы жеткілікті түрде жоғары зарядтар үшін кез келген зарядты кем дегенде бір қара тесік күйі іске асырады деген қорытындыға келуге болады.

Бастапқы болжам

Әлсіз гравитация болжамы, егер қара тесік суперсимметриямен қорғалмаса, оның ыдырайтынын постулаттайды. Егер өлшеу симметриясы болса, берілген массасы бар қара тесіктердің зарядының жоғарғы шегі болады. Осы шекті қанағаттандыратын қара тесіктер – экстремалды қара тесіктер. Экстремалды қара тесіктердің Хокинг температурасы нөлге тең. Дегенмен, экстремалдылық шартын дәл қанағаттандыратын заряд пен массаға ие қара тесік бар-жоғы кванттық теорияға байланысты. Бірақ үлкен экстремалды қара тесіктердің жоғары энтропиясын ескере отырып, экстремалдылық шартына кез келген жақындықпен жуық зарядтар мен массалары бар көптеген күйлер болуы керек. Егер қара тесік зарядты және массалы бөлшекті шығарса, қалған қара тесік субэкстремалды болып қалуы үшін, Планк бірліктерінде мынадай болуы керек, онда экстремалдылық шарты мына түрде жазылады.

Жеңіл нұсқасы

Қара тесіктер белгілі бір массадан асып кеткен бөлшектердің табиғи жалғасы болғандықтан, зарядтың массаға қатынасы өте ірі қара тесіктерден жоғары қара тесіктер де болуы логикалық. Яғни, экстремалдылық шартының түзетуі мынадай болуы керек: .

Жоғары өлшемді жалпылау

Әлсіз гравитация болжамын жоғары формалы өлшеуіш симметрияларға кеңейтуге болады. Бұл кеңейту кез келген жоғары формалы өлшеуіш симметрия үшін, ең шекті брандардың заряд/масса қатынасынан артық заряд/масса қатынасына ие бранның бар екенін постулаттайды.

Қашықтық болжамы

Сызықтық дуалдықтар, УФ физикасына кедергісіз терезе ұсынып, сым теориясының қазіргі заманғы түсінігін дамытуда шешуші рөл атқарды. Сым теориясында, теорияның скалярлық өрістерінің вакуумдық күтілетін мәндерін белгілі бір шекке жеткізген кезде, әрқашан дуалды сипаттама пайда болады. Мұның мысалы – Т-дуалдығы, онда шеңбер тәрізді ішкі геометриясы бар сым теориясын түсіну үшін екі дуалды сипаттама бар. Дегенмен, әрбір бұрыстыру сипаттамасы параметр кеңістігінің әртүрлі режимінде жарамды болады. Шеңбердің радиусы төменгі өлшемді теорияда скалярлық өріс ретінде көрінеді. Егер осы скалярлық өрістің мәнін шексізге жеткізсек, нәтижедегі теорияны бастапқы жоғары өлшемді теориямен сипаттауға болады. Жаңа сипаттама Калуза-Клейн (KK) бөлшектеріне сәйкес келетін жеңіл күйлердің тізбесін қамтиды. Ал егер шеңбердің мөлшерін нөлге жеткізсек, шеңбердің айналасына оралған сымдар жеңілдейді. Т-дуалдығы – бұл осы жеңіл оралу күйлерін KK бөлшектері ретінде бейнелейтін баламалы сипаттама бар деген тұжырым. Ескеріңіз, сым болмаған жағдайда, шеңбердің мөлшері нөлге жақындағанда кез келген күйлер жеңілдеуі керек деп ойлауға ешқандай негіз жоқ. Қашықтық болжамы жоғарыда айтылған байқауды сандық тұрғыдан нақтылайды және ол параметр кеңістігінің кез келген шексіз қашықтықтағы лимитінде орын алуы керек деп мәлімдейді.

Бастапқы болжам

Егер скалярлық өрістердің вакуумдық күтілетін мәнін шексіздікке жеткізсек, онда жеңіл және әлсіз байланысты күйлердің тізбегі пайда болады, олардың массасы Планк бірліктерімен өлшенеді және нөлге жақындайды. Бұдан әрі, бөлшектердің массасы модульдік кеңістіктегі каноникалық қашықтыққа тәуелді болады, яғни , мұнда және тұрақты шамалар. Сонымен қатар, универсалды өлшемге байланысты төменгі шек бар. Скалярлық күту мәндері үшін нысаналық кеңістіктегі екі нүкте арасындағы каноникалық қашықтық (модульдік кеңістік) каноникалық метрикамен өлшенеді, ол әрекеттегі кинетикалық мүшемен анықталады.

Шығатын тізбектік болжам

Бастапқы қашықтық болжамының күшейтілген нұсқасы, кез келген шексіз қашықтық шегіндегі ең жеңіл күйлер мұнарасының KK мұнарасы немесе жота мұнарасы болатынын қосымша тұжырымдайды. Яғни, күйлердің басты мұнарасы жоғары өлшемді теорияны өлшемдік түрлендіру арқылы (жоғарыда келтірілген мысал сияқты) немесе әлсіз байланысты жотаның қоздырылуы ретінде түсіндірілуі мүмкін. Бұл болжам көбінесе жотаның фундаментальды жота болуын талап ету арқылы одан әрі күшейтіледі.

Қашықтықты кескіндеу болжамы

Жасақталған қашықтық болжамы бойынша, кеңістік-уақыт өлшемдерінде .