Loop кванттық гравитациясы: 30 жылдық зерттеулер тарихы. Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы, кеңістік-уақыт геометриясы және кванттық гравитация негіздері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ғылым тарихы
Шеңберлік кванттық гравитация тарихы үштен астам онжылдық бойына қанағатты зерттеулерді қамтиды.
History of science
The history of loop quantum gravity spans more than three decades of intense research.
Классикалық гравитациялық теориялар
Жалпы салыстырмалылық теориясы — 1915 жылы Альберт Эйнштейн жариялаған гравитация теориясы. Оған сәйкес, гравитация күші — кеңістік-уақыттың жергілікті геометриясының көрінісі болып табылады. Математикалық тұрғыдан алғанда, теория Бернхард Риманның метрикалық геометриясы негізінде құрылған, бірақ кеңістік-уақыт симметрияларының Лоренц тобы (Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясының маңызды бөлігі) кеңістіктің айналу симметриялары тобын ығыстырады. (Кейіннен, циклдық кванттық гравитация гравитацияның осы геометриялық түсіндіруін қабылдап, гравитацияның кванттық теориясы негізінен кеңістік-уақыттың кванттық теориясы екенін жобалады.) 1920 жылдары француз математигі Эли Картан Эйнштейннің теориясын түйіндер мен байланыстар тілінде тұжырымдады, бұл Картан елеулі үлес қосқан Риман геометриясының жалпылауы. Эйнштейн-Картан гравитация теориясы деп аталатын бұл теория жалпы салыстырмалылық теориясын жаңадан қарастырып қана қоймай, сонымен қатар кеңейтті, бұрылыс пен қисылуға мүмкіндік берді. Картанның түйіндер геометриясында параллель көшіру ұғымы қашықтықтан гөрі маңыздырақ, ал қашықтық Риман геометриясының басты ұғымы болып табылады. Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының инвариант аралығы мен Эйнштейн-Картан теориясының параллель көлігі арасында ұқсас концептуалды өзгеріс орын алады.
General relativity is the theory of gravitation published by Albert Einstein in 1915. According to it, the force of gravity is a manifestation of the local geometry of spacetime. Mathematically, the theory is modelled after Bernhard Riemann's metric geometry, but the Lorentz group of spacetime symmetries (an essential ingredient of Einstein's own theory of special relativity) replaces the group of rotational symmetries of space. (Later, loop quantum gravity inherited this geometric interpretation of gravity, and posits that a quantum theory of gravity is fundamentally a quantum theory of spacetime.) In the 1920s, the French mathematician Élie Cartan formulated Einstein's theory in the language of bundles and connections, a generalization of Riemannian geometry to which Cartan made important contributions. The so called Einstein–Cartan theory of gravity not only reformulated but also generalized general relativity, and allowed spacetimes with torsion as well as curvature. In Cartan's geometry of bundles, the concept of parallel transport is more fundamental than that of distance, the centerpiece of Riemannian geometry. A similar conceptual shift occurs between the invariant interval of Einstein's general relativity and the parallel transport of Einstein–Cartan theory.
Спиндік желілер
1971 жылы физик Роджер Пенроуз кеңістіктің кванттық комбинаторлық құрылымнан туындауы мүмкін екенін қарастырды. Оның зерттеулері спин желілерін жасауға әкелді. Бұл Лоренц тобына емес, айналу тобының кванттық теориясы болғандықтан, Пенроуз твисторларды дамытты.
In 1971, physicist Roger Penrose explored the idea of space arising from a quantum combinatorial structure. His investigations resulted in the development of spin networks. Because this was a quantum theory of the rotational group and not the Lorentz group, Penrose went on to develop twistors.
Күлгілік кванттық гравитация
1982 жылы Амитабха Сен спинориалды айнымалыларға негізделген жалпы салыстырмалылық теориясының Гамильтондық формулировкасын жасауға тырысты, мұнда бұл айнымалылар жалпы салыстырмалылық теориясының Эйнштейн-Картон байланысының сол және оң спинориалды компоненттеріне балама болып табылады. Атап айтқанда, Сен жалпы салыстырмалылық теориясының АДМ Гамильтондық формулировкасының екі шектеуін осы спинориалды байланыстар арқылы жазудың жаңа тәсілін тапты. Оның түрінде, шектеулер – спинориалды Вейл қисықтығының ізсіз және симметриялық болуының қарапайым шарттары. Ол сондай-ақ Янг-Миллс өріс теориясының Гаусс шектеуіне балама деп ұсынылған жаңа шектеулердің бар екенін анықтады. Бірақ Сеннің жұмысы толыққанды, жүйелі теорияны ұсынуға жетпеді және әсіресе спинориалды айнымалыларға конъюгат моменттерді, олардың физикалық интерпретациясын және метрикамен байланысын нақты талқылауға жетпеді (ол бұл мәселені жұмысында белгілі бір лямбда айнымалысы ретінде көрсеткен). 1986–87 жылдары физик Абай Аштекар Амитабха Сен бастаған жобаны аяқтады. Ол спинориалды гравитацияның негізгі конъюгат айнымалыларын анықтады: конфигурация айнымалысы – спинориалды байланыс (параллель көшіру ережесі; техникалық тұрғыдан – байланыс), ал конъюгат импульс айнымалысы – әрбір нүктедегі координаттық жүйе (вирбейн деп аталады). Осылайша бұл айнымалылар Аштекар айнымалылары деп аталды, бұл күрделі байланысы бар Эйнштейн-Картон теориясының ерекше түрі. Теория осылайша тұжырымдалған жалпы салыстырмалылық кванттық өлшегіш өріс теориясының белгілі әдістерін қолдана отырып, квантталуына мүмкіндік берді. Аштекар формулировкасындағы гравитацияның квантталуы 1974 жылы Кеннет Г. Вильсонның кванттық хромодинамиканың (QCD) күшті өзара әрекеттесу режимін зерттеу үшін әзірлеген Вильсон циклдарына негізделген. Бұл орайда, Вильсон циклдары стандартты кванттық өріс теориясында (жазық) Минковский кеңістігінде жаман әрекет ететіні белгілі болды, сондықтан QCD-нің бұзылусыз квантталуын қамтамасыз етпеді. Алайда, Аштекар формулировкасы фонға тәуелсіз болғандықтан, Вильсон циклдарын гравитацияның бұзылусыз квантталуының негізі ретінде пайдалануға болады. Сен мен Аштекардың күш-жігерінің нәтижесінде Уилер-ДеВит теңдеуі жақсы анықталған Гилберт кеңістігінде жақсы анықталған Гамильтон операторы түрінде жазылған жағдайға қол жеткізілді. Бұл бірінші белгілі нақты шешімнің, яғни Черн-Симонс формасының немесе Кодама күйінің құрылуына әкелді. Бұл күйдің физикалық интерпретациясы әлі де түсініксіз болып қалуда. 1988–90 жылдары Карло Ровелли мен Ли Смолин кванттық геометрияның күйлерінің нақты негізін алды, ол Пенроуздың спин желілерімен сипатталды. Осы контексте спин желілері өзара қиылысатын циклдерді шешуге қажетті Вильсон циклдарының жалпылама түрі ретінде пайда болды. Математикалық тұрғыдан спин желілері топтық өкілдік теориясымен байланысты және Джоунс полиномы сияқты түйін инварианттарын құру үшін қолданылуы мүмкін. Лүпістік кванттық гравитация (LQG) осылайша топологиялық кванттық өріс теориясымен және топтық өкілдік теориясымен байланысты болды. 1994 жылы Ровелли мен Смолин аудан мен көлемге қатысты теорияның кванттық операторларының дискретті спектрі бар екенін көрсетті. Осыдан кейін жартылай классикалық шек, континуум шектері және динамика бойынша жұмыстар қарқынды жүргізілді, бірақ прогресс баяу болды. Жартылай классикалық шек бойынша мақсат – гармоникалық осциллятордың когерентті күйлерінің аналогтарын алу және зерттеу (көшпелі күйлер деп аталатын кандидаттар бар).
In 1982, Amitabha Sen tried to formulate a Hamiltonian formulation of general relativity based on spinorial variables, where these variables are the left and right spinorial component equivalents of Einstein–Cartan connection of general relativity. Particularly, Sen discovered a new way to write down the two constraints of the ADM Hamiltonian formulation of general relativity in terms of these spinorial connections. In his form, the constraints are simply conditions that the spinorial Weyl curvature is trace free and symmetric. He also discovered the presence of new constraints which he suggested to be interpreted as the equivalent of Gauss constraint of Yang–Mills field theories. But Sen's work fell short of giving a full clear systematic theory and particularly failed to clearly discuss the conjugate momenta to the spinorial variables, its physical interpretation, and its relation to the metric (in his work he indicated this as some lambda variable). In 1986–87, physicist Abhay Ashtekar completed the project which Amitabha Sen began. He clearly identified the fundamental conjugate variables of spinorial gravity: The configuration variable is as a spinoral connection (a rule for parallel transport; technically, a connection) and the conjugate momentum variable is a coordinate frame (called a vierbein) at each point. So these variable became what we know as Ashtekar variables, a particular flavor of Einstein–Cartan theory with a complex connection. General relativity theory expressed in this way, made possible to pursue quantization of it using well known techniques from quantum gauge field theory. The quantization of gravity in the Ashtekar formulation was based on Wilson loops, a technique developed by Kenneth G. Wilson in 1974 to study the strong interaction regime of quantum chromodynamics (QCD). It is interesting in this connection that Wilson loops were known to be ill behaved in the case of standard quantum field theory on (flat) Minkowski space, and so did not provide a nonperturbative quantization of QCD. However, because the Ashtekar formulation was background independent, it was possible to use Wilson loops as the basis for nonperturbative quantization of gravity. Due to efforts by Sen and Ashtekar, a setting in which the Wheeler–DeWitt equation was written in terms of a well defined Hamiltonian operator on a well defined Hilbert space was obtained. This led to the construction of the first known exact solution, the so called Chern–Simons form or Kodama state. The physical interpretation of this state remains obscure. In 1988–90, Carlo Rovelli and Lee Smolin obtained an explicit basis of states of quantum geometry, which turned out to be labeled by Penrose's spin networks. In this context, spin networks arose as a generalization of Wilson loops necessary to deal with mutually intersecting loops. Mathematically, spin networks are related to group representation theory and can be used to construct knot invariants such as the Jones polynomial. Loop quantum gravity (LQG) thus became related to topological quantum field theory and group representation theory. In 1994, Rovelli and Smolin showed that the quantum operators of the theory associated to area and volume have a discrete spectrum. Work on the semi classical limit, the continuum limit, and dynamics was intense after this, but progress was slower. On the semi classical limit front, the goal is to obtain and study analogues of the harmonic oscillator coherent states (candidates are known as weave states).
Гамильтондық динамика
LQG бастапқыда Гамильтондық АДМ формализмінің квантталуы ретінде жасалды, оған сәйкес Эйнштейн теңдеулері шектеулер жиынтығы (Гаусс, диффеоморфизм және Гамильтондық) болып табылады. Кинематика Гаусс және диффеоморфизм шектеулерінде кодталған, олардың шешімі спиндік желі негізінің кеңістігін құрайды. Мәселе – кинематикалық күй кеңістігінде өзіне-өзі қосымша оператор ретінде Гамильтондық шектеуді анықтау. Бұл бағыттағы ең үміткер жұмыс – Томас Тиманның «Феникс» жобасы.
LQG was initially formulated as a quantization of the Hamiltonian ADM formalism, according to which the Einstein equations are a collection of constraints (Gauss, Diffeomorphism and Hamiltonian). The kinematics are encoded in the Gauss and Diffeomorphism constraints, whose solution is the space spanned by the spin network basis. The problem is to define the Hamiltonian constraint as a self adjoint operator on the kinematical state space. The most promising work in this direction is Thomas Thiemann's Phoenix Project.
Ковариант динамикасы
LQG-дегі соңғы жұмыстардың көп бөлігі "спин көбік теориясы" деп аталатын теорияның ковариантты формулировкасында жүргізілді. Ковариантты динамиканың қазіргі нұсқасы әртүрлі топтардың біріккен еңбегінің нәтижесінде пайда болды, бірақ ол көбінесе Джонатан Энгл, Роберто Перейра және Карло Ровеллидің 2007–08 жылдарғы мақаласымен байланыстырылады. Теориялық тұрғыдан алғанда, спин желісінің күйлері арасындағы эволюция спин желісіндегі дискретті комбинаторлық амалдар арқылы сипатталатыны күтіледі, бұл кеңістік-уақыттың екі өлшемді қаңқасын құрайды. Бұл тәсіл статистикалық механиканың және топологиялық кванттық өріс теориясының күйлердің қосындысы модельдерімен, мысалы, 3D кванттық гравитацияның Тураев-Виро моделімен, сондай-ақ жалпы салыстырмалылықтың Фейнман жол интегралын кеңістік-уақытты дискреттеу арқылы есептеуге арналған Редже есептеуімен байланысты.
Much of the recent work in LQG has been done in the covariant formulation of the theory, called "spin foam theory." The present version of the covariant dynamics is due to the convergent work of different groups, but it is commonly named after a paper by Jonathan Engle, Roberto Pereira and Carlo Rovelli in 2007–08. Heuristically, it would be expected that evolution between spin network states might be described by discrete combinatorial operations on the spin networks, which would then trace a two dimensional skeleton of spacetime. This approach is related to state sum models of statistical mechanics and topological quantum field theory such as the Turaeev–Viro model of 3D quantum gravity, and also to the Regge calculus approach to calculate the Feynman path integral of general relativity by discretizing spacetime.