Квантовая гравитация может приводить к еще одному наблюдаемому эффекту
В рамках квантовой гравитации негладкая микроскопическая структура пространства приводит к нарушению лоренц-инвариатности, из-за которого скорости фотонов и других частиц сверхвысокой энергии отличаются от обычной скорости света. Оказывается, это не единственный наблюдаемый эффект таких теорий. Согласно новой теоретической статье в Physical Review Letters, дисперсия в вакууме обязана также приводить к эффективной «вязкости вакуума», которая тоже будет влиять на движение частиц. Отсутствие подобных эффектов в астрофизических данных позволяет наложить сильные ограничения на эту вязкость.
Астрофизическая проверка эффектов квантовой гравитации
Один из самых впечатляющих примеров единства фундаментальных физических исследований — это когда астрофизика, изучающая явления на космических масштабах, помогает узнать что-то новое про свойства микромира. Физики уверены, что новые эффекты в микромире есть, просто они становятся сильными на таких малых масштабах, которые недоступны современным ускорителям. А на доступных прямому измерению масштабах, то есть вплоть до 10−19 м, они слишком слабы и поэтому пока остаются неоткрытыми. Однако есть два способа сделать эти эффекты более заметными: либо подождать очень долго — и тогда слабые эффекты накопятся за длительное время воздействия, — либо использовать частицы сверхвысоких энергий, для которых новые эффекты могут быть намного сильнее. И Вселенная дает нам обе эти возможности.
Вселенная заполнена фотонами, протонами и другими частицами самых разных энергий, в том числе и очень высоких, недоступных коллайдерам. Кроме того, эти частицы могут лететь сквозь космос очень долго, миллионы и миллиарды лет, пока не столкнутся с каким-то плотным веществом, например с Землей. Астрофизические эксперименты позволяют зарегистрировать такие частицы, измерить их энергии, потоки, направления прилета и в результате «прочитать» запасенную в них информацию. Сравнивая эту астрофизическую информацию с предсказаниями теорий, в которых постулируются те или иные новые свойства микромира, можно проверять теории и устанавливать ограничения на силу гипотетических эффектов. На «Элементах» были даже разобраны две задачи на эту тему: Время жизни фотона и Столкновение фотонов.
Одна из самых интригующих возможностей тут — это проверка того, как вообще устроено само пространство на микроскопических масштабах. Для подавляющего большинства явлений пространство — или пространство-время, если речь идет про релятивистские явления — можно считать просто однородным вместилищем для всех частиц и полей, которое своих динамических характеристик не имеет. При описании явлений сильной гравитации нужно от этой картины отойти; в общей теории относительности пространство-время уже обладает динамической сущностью, может искривляться, растягиваться, колебаться. В рамках квантовой теории можно даже оперировать с квантами колебаний пространства-времени — гравитонами, — по крайней мере, пока их энергии невелики. Но во всех этих случаях пространство-время, в локальном смысле, все равно считается чем-то гладким, бесструктурным.
Однако на сверхмалых расстояниях, сопоставимых с планковской длиной LПл ~ 10−35 м, эффекты квантовой гравитации становятся настолько сильными, что эти описания перестают работать. На этих масштабах правильнее уже описывать мир в каких-то новых переменных со своими особыми физическими законами; а обычное гладкое пространство-время получается лишь в результате усреднения этих новых микроскопических переменных по относительно большой области. Пока что неизвестно, как построить правильную — то есть математически непротиворечивую, предсказательную, и при этом согласующуюся с реальностью — теорию пространства-времени-гравитации на таком масштабе, хотя, конечно усилия тут предпринимаются огромные. Однако ясно, что такое описание пространства будет существенно отличаться от простого «вместилища» для частиц. А это значит, что при движении частиц в пространстве возникнут новые эффекты, которые ни классической механикой, ни теорией относительности не предсказываются.
Теоретическому поиску таких эффектов в разных моделях и их экспериментальной проверке посвящено множество работ. Стандартное направление деятельности — это предсказание эффектов нарушения лоренц-инвариантности, той симметричности пространства мира, на которую опирается вся экспериментально проверенная физика. Нарушение лоренц-инвариантности может привести к тому, что фотоны или другие частицы сверхвысоких энергий будут двигаться со скоростью, отличающейся от обычной скорости света. Более того, это отличие зависит от энергии частицы. Поэтому если в каком-то очень далеком космическом взрыве одновременно родились фотоны разной энергии, то они, пройдя миллиарды световых лет со слегка различающейся скоростью, попадут к нам в детектор в разные моменты времени (см. рис. 1). Это один из примеров того, как астрофизические наблюдения могут рассказать о свойствах микромира. Кстати, когда три года назад появилось сенсационное сообщение коллаборации OPERA про якобы сверхсветовое движение нейтрино, эта область деятельность испытала резкий, но, правда, кратковременный подъем.
«Вязкость вакуума»
В статье, вышедшей на днях в журнале Physical Review Letters, обсуждается еще один наблюдательный эффект, к которому может приводить нарушение лоренц-инвариантности, — диссипация при движении частиц высокой энергии. Подчеркнем отдельно: диссипация при движении сквозь вакуум!
Аргументация авторов начинается с напоминания известного эффекта классической электродинамики. Если свет движется сквозь какую-то среду с дисперсией (то есть коэффициент преломления зависит от частоты света), то эта среда обязана обладать диссипацией — приводить к постепенному затуханию движущегося в ней света. Эта связь очень жесткая; она не требует информации о каких-то свойствах самой среды, а опирается на самые фундаментальные законы, например на причинность физических явлений (среда не может начать реагировать на свет до того, как свет в нее попал). Математическая формулировка этого закона описывается соотношениями Крамерса—Кронига.
Нечто аналогичное может происходить и в теориях с нарушенной лоренц-инвариантностью, в которых гладкое пространство является не первичным, а побочным, усредненным явлением. Несмотря на то что мы еще не знаем, какова на самом деле квантовая природа гравитации и как именно новые микроскопические степени свободы складываются в гладкое пространство, мы можем строить такие теории по аналогии с известными моделями классической физики, надеясь, что эти аналоги гравитации ухватят некую суть реальной ситуации. Такие параллели между гравитацией и другими физическими системами — вещь довольно распространенная, см. подробнейший научный обзор этой темы. Они особенно популярны при изучении черных дыр (см., например, новости Черные дыры из стали и пустоты и В бозе-эйнштейновском конденсате создали звуковую черную дыру, а также главу из книги Л. Сасскинда «Битва при черной дыре», рис. 2).
Рис. 2. Гидродинамическая аналогия черной дыры и горизонта событий. Если вода в пруду выливается через отверстие в дне с достаточно большой скоростью, то в воде будет существовать некоторая область, попав в которую головастик уже не сможет выбраться наружу. Рисунок из книги Л. Сасскинда «Битва при черной дыре»
Авторы статьи изучили, как при таком описательном подходе соотносятся друг с другом дисперсия и диссипация. Варианты получаются разные, но один из самых естественных — возникновение у вакуума некоторой вязкости. Эта вязкость может проявляться по-разному: частицы сверхвысокой энергии могут просто тормозиться при движении в вакууме, а могут вообще исчезать. Маленькое уточнение: так эти эффекты будут выглядеть в нашем, доступном физическим наблюдениям, мире. В полной же теории, в которой наряду с обычными частицами учитываются также и новые динамические степени свободы, никакого исчезновения энергии не происходит; обычная частица просто возбуждает недоступные наблюдению степени свободы.
Как и в случае отклонения скоростей от общепринятой скорости света, здесь предсказывается, что эффекты диссипации сильно заметны только для частиц недостижимо высокой энергии и сильно ослаблены для умеренно энергетичных частиц. Однако важно тут то, что это ослабление проявляется намного сильнее для дисперсии, чем для диссипации. При какой-нибудь умеренно большой энергии эффекты диссипации могут еще быть заметными, но дисперсия уже станет пренебрежимо малой. Поэтому открывается новая экспериментальная возможность — обнаружить нарушение лоренц-инвариантности не через непостоянство скорости частиц высокой энергии, как пытались до сих пор, а через обнаружение «вязкого трения вакуума».
Астрофизические наблюдения ни на какие подобные эффекты пока не указывают, ни в космических лучах сверхвысокой энергии, ни в спектре фотонов ТэВных энергий от далеких квазаров. Это позволяет наложить ограничение сверху на величину вязкости вакуума. Традиционно все величины, относящиеся к квантовым эффектам гравитации, выражают в естественных планковских единицах. Они строятся из фундаментальных физических констант: гравитационной постоянной G, скорости света c и постоянной Планка h или устоявшихся их комбинаций: планковской длины, планковского времени и т. п. Для кинематической вязкости, которая измеряется в квадратных метрах на секунду, естественной планковской единицей является LПл·c. Вычисления авторов показали, что по астрофизическим наблюдениям вязкость вакуума не может превышать примерно 10−30 от этой единицы, что более чем на 50 порядков меньше вязкости воздуха.
К сожалению, без конкретной квантовой теории гравитации это описательное ограничение нельзя просто так превратить в ограничение на физические свойства тех новых степеней свободы, из которых при усреднении складывается гладкое пространство. Но если какая-то теоретическая модель сможет сосчитать эту величину в рамках своих предположений, результаты данной статьи покажут, как эти предсказания связать с реальными наблюдениями.
Источник: Stefano Liberati and Luca Maccione. Astrophysical Constraints on Planck Scale Dissipative Phenomena // Physical Review Letters 112, 151301 (2014); статья также доступна как е-принт arXiv:1309.7296 [gr-qc].
-
Мне не до конца ясно, что наблюдалось бы будь эти квантовые эффекты. Фотоны и так краснеют из-за эффекта Доплера. И теряются по причине пыли и не только. Вот не ясно, как на фоне всего этого можно что-то ещё новое найти.
-
Наблюдалось бы сильное искажение спектра самых высокоэнергетических частиц (не только фотонов) от источника, поскольку эти эффекты быстро растут с энергией. Ни пыль, ни доплеровское покраснение ничего такого не сделают. Ну и энергии частиц тут обсуждаются максимально зарегистрированные, сотни ТэВ и выше.
-
-
Все эти эффекты рассеяния принимаются во внимание. Они по-другому зависят от энергии частиц, и самое главное, они приводят к угловому расхождению первоначального пучка. Дисперсия и диссипация — это когда меняются свойства волны, идущей строго вперед, куда она шла и до этого. Коэффициент преломление в воде тоже получается вовсе не потому, что световые фотоны беспорядочно рассеиваются на чем-то.
-
-
-
-
А покраснение здесь не при чём. Эффект то квантовый, так что энергию теряет весь луч, а отдельные фотоны поглощаются целиком. Проблема в другом: мощность вспышки оценивается как раз по отклику детектора и расстоянию. При этом исходят из того, что энергия просто размазывается по сфере, а детектор занимает тем меньшую её часть, чем ближе находится. Если к этому добавить неизвестное поглощение, то не известна и мощность вспышки, а, не зная её, нельзя оценить поглощение.
Вообще, классическая немецкая философия еще давно разработала инструментарий описания внешнего мира как "наблюдаемого представления" в нашем сознании (Шопенгауэр - мир как воля и представление, Кант - учение об идеальном, вещь в себе и т.д.). Они были в чем-то правы: мы вряд ли можем выпрыгнуть из своего сознания, и мир мы видим как некое представление, неотделимое от свойств самого наблюдателя. Какова же вещь объективно - неизвестно, коль скоро так многое зависит от субъекта. (Концепция мира как иллюзии пронизывает также учение буддизма и индуизма, недаром Шопенгауэру были близки идеи буддизма, особенно южного.) Эйнштейн тоже был агностиком.
Так что по большому счету не преувеличивайте значение всяких подобных окончательных теорий и 100%-х доказательств.
В рамках принятой аксиоматики можно развивать науку, доказывать теории и прочая, а вот, допустим, верна ли сама эта аксиоматика - никто не знает. Это не призыв ничему не верить, но осторожное напоминание об ограниченности наших возможностей.
-
"Вообще, классическая немецкая философия еще давно разработала инструментарий описания внешнего мира как "наблюдаемого представления" в нашем сознании"
То-то классическая немецкая философия оказалась настолько полезной в описании и предсказании окружающей реальности, что на ее основе построены сотни технологий. И она прекрасно описывает, например, явление сверхпроводимости или Лэмбовский сдвиг. -
Аналогия из IT: до тех пор пока мы сидим в гостевой виртуальной машине (наше тело, или сознание), совершенно не факт, что из неё принципиально познаваема машина-хост (окружающий мир). Вот о чем писали эти немецкие философы. А всё вами перечисленное относится либо к законам гостевой виртуальной машины, либо к законам машины-хоста, но проверяемых средствами или на уровне гостевой машины (через API например). С этим мы расправляемся замечательно. Кто ж спорит. Но это мало что говорит о наших знаниях о том, как на самом деле может быть устроена машина-хост.
По крайней мере айтишники знают, что любая система не сводится к API, внутреннее устройство программ может быть разным при одинаковом API, и в общем случае задача по восстановлению программы по её API нерешаемая. Хост может быть разным и непознаваемым.
Но я бы здесь выделил не "непознаваемость" (это на мой взгляд как раз неважно, я лично признаю познаваемость как процесс, но не как результат), а существование вот этого барьера между гостем и хостом, признание факта, что гостевая машина может быть совсем не тождественна хосту. Это важно, это сразу ставит на место всяких "научных атеистов".
Я думаю, что все там гладко. Если взять по отдельности какую либо физическую величину, то нет никаких свидетельств, что эта величина не гладкая. Например длина, время или энергия не дискретны. Если рассматривать элементарную частицу, например протон, которая имеет границу то можно заметить, что чем больше энергия (или масса) частицы, тем меньше ее размеры и тем «сильнее» выражена граница. При этом, если опустится на уровень панковской длины, то структурные элементы этих ячеек должны иметь запредельную массу и энергию. На самом деле этого не наблюдается. Я думаю, что размеры структур, которые наблюдаются на коллайдерах, находятся близко к минимальным размерам. Меньше ничего нет.
В связи со смертью Компьюленты вопрос - где теперь следить за научными и технологическими новостями? Не было больше в рунете сайтов со сравнимым произведением качества на полноту покрытия...
1) Как я понимаю, при моделировании нашей Галактики (ее динамики, эволюции, темпа звездообразованеия) расширение Вселенной никак не учитывается. Т.е. хотя размер Вселенной за некоторое время изменился, скажем, на порядок, на размере Галактики это никак не отразилось.
2) Несмотря на раздувание Вселенной на размерах атомов и молекул за последние 10 млрд лет это также никак не отразилось.
3) Говоря об инфляционной стадии, физики стыдливо умалчивают о скорости инфляции (например, соотнесении данной скорости со скоростью света).
4) Можно изобретать сколько угодно различных теорий, называть их неполными Стандартными теориями с тремя десятками свободных параметров и т.д. Но не лучше ли все же тратить усилия на эксперимент и наблюдения. Особенно в России.
-
По поводу 4-го вопроса. Современная физика отличается от физики, скажем, галилеевских времён именно тем, что теория, как правило, должна предшествовать эксперименту, потому что, не построив теорию, вы просто не сможете поставить эксперимент - вы не будете знать, что и где искать. Поэтому физики и тратят столь огромные усилия на создание разнообразных теоретических моделей. Хотя иногда физикам везёт и они натыкаются на новые явления, не предсказанные заранее теориями.
-
По поводу 3-го вопроса. Не только в стадии инфляции, но и при "обычном" расширении Вселенной "скорость" может превышать скорость света (см. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%
D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D0%B4%D0%B2 %D0%B8%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5 где "Расширение Вселенной"). Более подробно http://www.astronet.ru/db/msg/1194831
От нас _не_ скрывают! ;)
А это без всяких экивоков - "темная энергия". (:-0)
-
да похоже
но с другой стороны - гравитоны могут существовать. и на пути распространения гравитона гравитация будет чувствоваться
фонарь тоже на большом расстоянии уже не освещает, но отдельные фотоны продолжают лететь в бесконечность-
Безмассовый гравитон - странная штука.
Во первых, чтобы он мог "лететь, в звезды врезываясь",у него должно быть ПАРА полей, которые, перетекая друг в друга (как у фотона, магнитная и электрическая составляющая), не дают ему отклониться с пути прямого. Если количество полей у кванта нечетное, у него появляется инерционная масса.
Во-вторых, любой квант переносит импульс. Давление света всем известно. Но гравитон переносит ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ импульс! И, следовательно, имеет отрицательную энергию по какому-то составляющему его полю. Тоже забавно.
Наверно, именно поэтому все ОТОшные вычисления с гравитационными взаимодействиями перенесены в псевдопространство, с мнимыми координатами и отрицательными расстояниями.
-
Совершенно верно. В «Элементах» есть интересная статья о движении ультрахолодных нейтронов в гравитационном поле, где показано, что нейтроны при движении в гравитационном поле обладают квантовыми уровнями энергии (точно также, как квантовыми уровнями обладают электроны в электромагнитном поле) http://elementy.ru/news/432239 .
При рассмотрении движения нейтронов в гравитационном поле на малом расстоянии уже нельзя писать, что у нейтрона существует траектория движения в том смысле, как ее описывает механика Ньютона. Траектория частицы становится неопределённой и «теряет направление и пропорциональность массе и расстоянию.»
-
По моему мысль скептика в другом заключалась. Не поведение объектов (нейтронов в данном случае) включая эффекты квантования в однородном (или градиентном) гравитационном поле. А неоднородность и случайность самого гравитационного поля и структуры пространства. Нейтрон не может этого почуствовать в принципе, поскольку его размер на десятки порядков больше этих неоднородностей.
-
«Нейтрон не может этого почуствовать в принципе, поскольку его размер на десятки порядков больше этих неоднородностей.»
Квантовые свойства материи хорошо описываются с помощью классической квантовой механики. При этом гравитационное поле в эту механику вплетено также точно как и электромагнитное.
Согласно квантовой механики - когда взаимодействие между частицей и полем становится меньше по величине постоянной Планка, траектория частицы становится неопределенной (как выразился Скептик: «При падении ниже какого-то уровня силы взаимодействия, она теряет направление и пропорциональность массе и расстоянию»).
На мой взгляд, неопределенность траектории можно интерпретировать как проявление неоднородности и хаотических свойств пространства и самой частицы (например, в результате взаимодействия частицы с виртуальными частицами). Поэтому не нужно углубляться на Панковские размеры. Первозданный хаос в микромире и так присутствует.
-
-
Второе отношение следует непосредственно из общей теории относительности и является правильным
Непосредственно не следуют. Используя длину Планка, надо помнить, что кроме гравитационной постоянной и скорости света в нее входит также постоянная Планка, взятая из квантовой механики. То есть это квантово-гравитационный гибрид.
Однако, второе отношение прямо следует из модели Мирового кристалла:
https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.85222edf-6213ab48-39a82401-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/W orld_crystal
Расчет дисперсионных отношений сделан здесь:
https://portal.tpu.ru/SHARED/s/SHTANKO/Study/Tab/L2.pdf
Если рассматривать поперечную волну с круговой поляризацией, то те же формулы можно получить намного проще. Центробежную силу надо просто приравнять силе упругости.
ω = √(G/ρ)∙k ∙ sin(φ/2)/(φ/2) — циклическая частота
ν(φ) = ω/k = √(G/ρ)∙sin(φ/2)/(φ/2) — фазовая скорость
ν(E) = dω/dk = √(G/ρ)∙cos(φ/2) — групповая скорость
ν(0) = √(G/ρ) = c — максимальная скорость волны, то есть скорость света.
где G — модуль сдвига; ρ — плотность;
k = 2π/λ — волновое число, где λ — длина волны;
φ = k∙l = 2π∙l/λ — минимальный сдвиг фазы, где l — постоянная решетки.
Относительное изменение скорости волны равно:
Δ = ν(E)/ν(0) = cos(φ/2) ≈ 1- (φ/2)²/2 = 1-π²(l/λ)²/2
Поскольку постоянная решетки равна половине длины Планка, l = lp/2
Δ = 1-(π²/8)(lp/λ)² ;
Следует заметить, что спектр частот нашей вселенной, отличается от спектра частот кристалла. Причина заключается в том, что наша вселенная это сгусток колебаний — солитон, движущийся в Мировом кристалле. Коэффициент Пуассона у этого кристалла вероятно равен 0,5.
Короче, без знания сопромата с квантовой гравитацией не разобраться. Но с сопроматом у нас все просто ужасно. Обычно используются линейные приближения, а квадратами деформации пренебрегают, ввиду их малости. Однако этими квадратами определяется энергия колебаний, изменение объема и соответствующей плотности.
Еще в 1857 г. Вертгейм опубликовал статью https://mash-xxl.info/page/168080127067195235031197190109075175108015026182
Он установил, что изменение объема пропорционально квадрату закручивания и что изменение осевых размеров не пропорционально углу закручивания. Такие аномалии в контексте линейной функции отклика были объяснимы, поскольку он установил, что исследуемая проблема нелинейна.
Несмотря на это, полтора столетия ученикам вдалбливают в голову, что изменения объема при поперечных деформациях не происходит, а волны не переносят вещество.
Но, коллективный разум обнаружил здесь противоречие. Разрешить это противоречие разум не смог, в связи с утратой ссылок на авторитетные источники. Поэтому коллективный разум завис и разродился шизоидным утверждением: https://ru.wikipedia.org/wiki/Волна
«В основном физические волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту». (ц:)
Формула (1.7) на стр. 16 книги https://pnu.edu.ru/media/filer_public/2013/04/10/2-29_potapova-yarcev.pdf описывает нелинейную зависимость изменения объема от продольной деформации и коэффициента Пуассона. Из нее следует, что только в абсолютно хрупком теле (коэффициент Пуассона которого равен нулю) поперечные волны не изменяют объем и не переносят вещество.
Последние новости
Рис. 1. Негладкая микроскопическая структура пространства может являться причиной нарушения лоренц-инвариантности; нарушение тем сильнее, чем больше энергия частиц. Из-за этого фотоны, рожденные одновременно в каком-то далеком космическом взрыве, могут лететь со слегка различающейся скоростью и попасть в детектор в разные моменты времени. Оказывается, этот эффект может еще приводить к эффективной «вязкости вакуума», которая тоже будет влиять на движение частиц. Рисунок из статьи: Ли Смолин, 2004. Атомы пространства и времени