Кіріспе

Ғылым тарихы
Шеңберлік кванттық гравитация тарихы үштен астам онжылдық бойына қанағатты зерттеулерді қамтиды.

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.

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.

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).

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.

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.