理论物理学

为什么Quantum的引力理论?

巴黎迪特罗大学的Astroparticule和CoSmology实验室主任采访Pierre Binetruy。

皮埃尔宾馆Étruy for scient for science n°93
皮埃尔宾馆étruy

经验和观察验证的一般相对论的理论在多大程度上?

爱因斯坦的理论得到了很好的验证。她解释了汞的透明度的进展(这个星球的椭圆轨迹的大轴的旋转),预测了太阳光线的偏差(1919年的突出显示了爱因斯坦的名人),预测引力波,其Ligo探测器于2015年9月的发现是表现形式的证实。

特别是,在其上休息的等价原则已经以极大的精确度进行了验证:理论与经验之间的差距小于10-13的相对值(参见题目的等同性,D.Giulini,第88页)。该原理规定,惯性质量(力和加速度之间的比例因子)相当于引力质量(重力力比例的大小)。

特别是,它具有众所周知的事实,即受到相同的重力,所有主体都落下了相同的加速度。更一般地,它涉及重力和加速度场之间的等效。

但是,存在一般相对论尚未测试的区域......

实际上,直到最近,该理论仅在弱势强度弱的情况下进行了测试,这是太阳系或宇宙语境中的情况。但一切都随着引力波的直接发现而改变:观察到的事件,两个黑洞的融合必须在强烈的引力场系统中计算;特别是因为两个黑洞达到靠近光速的速度。观察信号与预测信号完全一致的事实是第一次确认,即爱因斯坦理论很好地描述了强大的场重力。真正的力量之旅:这个理论在100多年前设计了100多年前,当我们甚至没有想象像黑洞这样的物体存在!

在微观场上尚未测试一般相对论:由于量子空隙波动,这种规模的重力测量是非常困难的,因为其他力量或效果,包括Casimir效应,我们带来尽快模糊引力效应很多身体。这就是为什么只在今天才能测量引力,在千分米上方的梯子上。

是内部的,数学一致性,是一般的相对论建立吗?

是的,这是一个非常连贯的理论。更重要的是,每当我们尝试改变时,如果只有稍微相对,则出现不一致,例如内在的不稳定性。从这个角度来看,它具有印象,即一般相对论是一种特定的理论,一种非连锁理论海洋中的孤独岛。

另一方面,爱因斯坦方程式的某些解决方案(将材料和能量分布到空间时间的几何形状的方程)具有奇点,即关于某些物理量的空间时间的点数无穷无尽。这种奇点不能对应于物理现实,我们可以将它们解释为理论的不一致。但是,奇点的出现可能与普通相对性达到其有效性极限的事实有关,并且量子方面至少必须考虑这些空间区域。

今天是否有经典理论,也就是说非量子,可以是通用相对论的替代品?

没有真正令人满意的。我们试图建立,以解释某些引力方面仍然存在,包括“暗物质”的问题,调用了星系的动态。如果引力力与主要宇宙尺度的一般相对性不同,则暗物质的存在可能是不必要的假设。但是,更加困难改变引力的力量,或者以一种与不同的尺度一致的方式增加第五个基力的干预:星系,星系簇等。由于强大的限制,没有替代理论似乎是一次所有尺度,包括等同的原则。它与“黑暗能源”问题相同,这将负责加快宇宙的扩张。

这就是为什么优选方案目前依赖于一般相对论(在爱因斯坦的宇宙学常数在Einstein的方程中报告加速扩张)以及暗物质存在的假设。

由于在当前的知识状态下,一般相对论似乎是正确描述的引力,为什么我们寻求量子理论?

也许重力是不可挽回的一种经典性质。但若干论点表明量子的引力理论是必要的。首先,有奇点,通用相对论在黑洞的中心或大爆炸的起源中揭示。这些奇点提出了通过组合一般相对论和量子物理学的三个基本常数(G,C和H)构成的庞大空间结构,自然刻度(10-35米的阶数)的问题(参见当D.Giulini,第88页)的等值。在这种规模中,重力变得激烈,因为它们的量子理论的另一个基本力量变得激烈。

这描述了一个不连续的世界;也许它甚至是时空?一般相对性描述了动态空间,与物质和能量相互作用,而在量子物理学中,空间时间只是一个被动框架,其中发生了现象:这两个愿景似乎看起来矛盾,并且要和解。这也可能对量子理论本身产生后果。

为什么尝试从一般相对性建立量子的引力理论失败?

通常用于从经典理论转向其量子等效物的通常数学过程不适用于一般相对性。结果表明,它的量子版是“不可行的”,即无限量出现在可测量数量的计算中,并且不可能消除它们。例如,这不是量子电动动力学的情况,量子形态的经典电磁。这里也是在计算中出现的无限,但可以通过重新定义理论的参数的正式程序(在这种情况下,电子和电荷的电荷)来系统地解除,以便找到其观察到的值。在一般相对性的量子版本中不可能进行重整化,从而在这个大厦中去除这种物理意义。

今天探索的斜坡是什么,建立一个量子的引力理论?

有两种方法。一个人包括忘记其他三个基本互动的“量化”引力,至少起初。这是专家指定“量子重力”理论的原因。这种方法特别地由“Quantum Gravitation与环”表示,该理论仍然很大程度上正在建设中。它从一般相对性的特定数学制定开始(所谓的HamiltonIan制剂),并且切换到量子版本需要预先确定适当变量的某些耦合。

在该方案中,获得粒状空间,离散化。虽然启动了,具有环的引力理论将达到一些有趣的结果,包括根据事件地平线的区域的黑洞的熵(热力学大小)的表达。

实现量子化的其他方法是应对四个基本相互作用的统一。这种方法是由世界上绳索理论到四维(三个空间,其中三个空间)表示的代表,其中额外的尺寸是不可察觉的,因为微小并自行关闭。

什么是绳索理论?

最初的想法来自20世纪70年代的研究中的两个夸克的强烈相互作用。它在20世纪80年代重新出现了一个更全面的理论,这考虑了物理学的基本对象不是准时的颗粒,而是一维物体,其不同振动模式的微小串对应于各种振动观察到的颗粒。该理论只有一个参数,其不知何钟对应于绳索的最小长度。但由于内部一致性的原因,它需要大于4的时空尺寸。我们认为理论仅在11或26个维度的时刻一致,但自其他可能性已经揭示。

为什么绳索理论引起了物理学家的热潮?

因为似乎构成了统一四个基本互动的框架。特别是,它自然存在两个非常诱人的特性。一方面,它提供了等于2的零和旋转颗粒(内在动力学时刻)的存在,即表示传送重力的引力。另一方面,它是超偿的,也就是说它具有对应于半旋转颗粒的整个旋转颗粒的对称性,反之亦然。然而,上述是先前统一相互作用的关键因素。

今天这个理论在哪里?

一根绳索理论的希望,具有明确的预测,已经大火。另一个严重的缺点:绳索理论正在努力解释通货膨胀(宇宙的野蛮膨胀在宇宙中的一开始)以及当前的宇宙扩张加速度。取得一些成功,例如计算一些黑洞的熵从它们的微观自由度。但绳索理论可能比理论更强大的分析工具。因此,它使得可以在量子严重程度和与描述基本粒子的那些类似的理论之间传颂这一点之间的二元性。这种猜测链接两种理论的“广告/ CFT对应”(“ADS / CFT对应”)使得可以执行一个人之前不知道的计算,并且似乎是一个超出字符串理论框架的深刻原则

在实验或观察层面,超越一般相对性的前景是什么?

先进的Ligo和高级Virgo探测器的引力波检测将为我们提供前所未有的手段,用于测试靠近黑洞的地平线的物理过程。斯蒂芬霍金已经教导了我们的数量现象发挥作用:它是着名的霍克,难以识别,但惊喜仍然是可能的。为了获得精确度措施,可能需要等待2030年2030年的Lisa空间天文台。Lisa Pathfinder在2015年12月开始准备它的技术任务,刚刚发表了第一次壮观的结果。这对未来的使命是吉祥。丽莎应帮助准确地研究两次叠加的黑洞的地平线,从而测试着重力理论的无与伦比的精确度。

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