Вход Регистрация
  • Главная
  • Архив материалов
  • Игры
  • Кино
  • Музыка
  • Галерея
  • Наш Блог
  • О Сайте
  • Статьи
    Главная » Статьи » Астрофизика

    Квантовая гравитация

    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.

    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

     

    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 вя​​зкости, 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: http://elementy.ru/
    Категория: Астрофизика | Добавил: Arhxaos (19.05.2014)
    Просмотров: 951 | Комментарии: 2 | Теги: астрофизика, Наука, гравитация | Рейтинг: 0.0/0
    Всего комментариев: 2
    0  
    2 Arhxaos   (04.10.2014 00:11)
    Существование эфира, насколько я знаю, не доказано. То есть не было доказано. А гравитационное взаимодействие описывается законом
    всемирного тяготения Ньютона. И вот мы имеем две теории, вот только одна из них
    доказана, а другая так и осталась теорией.

    -1   Спам
    1 RaMiraSh   (22.06.2014 23:31)
    Гравитация - это некое действие. Любое действие проявляет себя в следствиях. Следствиями действия гравитации, в частности, являются - падение яблок на поверхность Земли, удержание Землёй Луны, удержание Земли - Солнцем.

    Скажу, что разобраться в механизме действия гравитации в первых двух случаях - проблематично, особо - не разобравшись с третьим случаем.
    А с третьим случаем вполне можно разобраться.

    В этом случае, в третьем, имеет место быть движение Земли относительно Солнца.

    Считается, что движение Земли относительно Солнца - это вращение.

    Но так ли это?

    Вращение - это круговое движение объекта, смысл этого - центры окружностей неких выделенных точек все до одного при вращении объекта - находятся на оси вращения.

    Соответствует ли этому условию движение Земли относительно Солнца? Ответ - не соответствует.

    Тогда вопрос - какой тип или вид движения у Земли?

    Согласно данным о анизотропии микроволнового фонового излучения Солнце и солнечная система, Земля - движутся по направлению на созвездие Льва... - в пространстве Вселенной - в абсолютной системе отсчёта, скорость - под 400 км/сек; Солнце - по прямой, почти, Земля - по волне.
    Рассмотрение этого движения показывает, что движение Солнца и Земли при этом - поступательное движение.

    Это поступательное движение и необходимо объяснить.

    И единственным объяснением такого может быть только следующее: Местную группу галактик, нашу галактику, Солнце, солнечную систему, Землю - движет движущаяся материальная субстанция - эфир.
    Солнце при этом является препятствием свободному течению эфира, вокруг него образуется эфирный вихрь, он действует на Землю - по касательной к окружности в месте нахождения Земли.
    А именно: когда Земля сзади Солнца поток эфира её разгоняет, как и солнечный эфирный вихрь, а когда Земля впереди Солнца, то она тормозится эфиром, а солнечный эфирный вихрь предопределяет движение Земли по волне.

    Такой же эфирный вихрь есть и у Земли. Эфир обтекает Землю по кругу, и чем дальше от поверхности Земли, тем больше скорость эфира, а за счёт разности скоростей слоёв эфира обеспечивается приталкивание яблок к поверхности Земли.

    Ну, Луна удерживается эфирным вихрем Земли также, как и Солнце удерживает около себя Землю.

    Собственно - все опытные данные соответствуют приведённому объяснению. А так называемый закон всемирного тяготения, так называемую теорию относительности, гипотезу о чёрных дырах, большом прибамбахе, расвширяющейся Вселенной, бозоне Хиггса, реакции ядерного синтеза положено, ну, и... эту самую так называемую квантовую хравитацию... - фтопку.

    Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
    [ Регистрация | Вход ]
    © 2012 – 2017 Arhanikum.Com
    Соц. сети:
    Все используемые аудиовизуальные материалы, размещенные на сайте, являются собственностью их изготовителя (владельца прав) и охраняются законом. Эти материалы предназначены только для ознакомления. Хостинг от uCoz
    Правила чата
    Пользователи онлайн
    Мини-чат
    +Мини-чат
    0
    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0