Амплитугедрон: пространство и время в опасности
Амплитуэдр. Изображение: Andy Gilmore / Quanta Magazine

Амплитуэдр. Изображение: Andy Gilmore / Quanta Magazine

Новый способ описания квантовых взаимодействий ставит под сомнение реальность пространства и времени

Физики открыли геометрический объект, многократно упрощающий расчеты взаимодействия квантовых частиц, сообщает Quanta Magazine. По словам ученых, новый подход может «примирить» гравитацию и квантовую теорию.

Амплитуэдр (amplituhedron), как его назвала исследовательская группа под руководством профессора физики Института перспективных исследований в Принстоне Нима Аркани-Хамеда, является многомерной фигурой, вычислив объем которой, можно получить амплитуду рассеивания при определенном взаимодействии элементарных частиц. Как утверждают физики, существование такой взаимосвязи ставит вопрос, действительно ли пространство и время являются неотъемлемыми свойствами реальности.

Чтобы понять суть нынешнего открытия, придется вернуться на 60 лет назад. В 1949 году американский физик Ричард Фейнман предложил метод диаграмм (названных затем его именем), позволявших описывать взаимодействие и превращения элементарных частиц в рамках квантовой теории поля. По тем временам открытие было революционным — в 1965 году ученый получил Нобелевскую премию по физике. Однако на практике даже самые простые интеракции частиц описывались слишком большим объемом данных — например, столкновение двух глюонов, приводящее к появлению четырех глюонов с меньшим зарядом требует рассмотрения 220 диаграмм, что в итоге соответствует формуле из нескольких тысяч выражений при расчете амплитуды рассеивания.

В 1984 году в ходе подготовки к строительству так и не завершенного Сверхпроводящего суперколлайдера в Техасе физики попытались рассчитать амплитуды рассеивания для всех известных взаимодействий частиц, чтобы было проще заметить что-то новое во время работы экспериментальной установки. В итоге они постановили, что задача эта «в обозримом будущем» неразрешима. Но уже в 1986 году исследователи Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми Стивен Парк и Томми Тэйлор смогли упростить упомянутую формулу для превращения двух глюонов в четыре «всего» до девяти страниц, с чем тогдашние компьютеры уже могли справиться, — а затем, увидев закономерность, подобрали ей эквивалент, состоящий из одного-единственного выражения.

Следствия из открытия Парка и Тэйлора стали понятны лишь в начале 2000-х, когда ученые начали находить все новые и новые закономерности во взаимодействии элементарных частиц. Возникло представление, что в основе квантовой теории поля лежит некая цельная математическая структура. Важнейшим шагом к ее пониманию был набор формул BCFW, названный по инициалам авторов — Рут Бритто, Фредди Качазо, Бо Фена и Эдварда Уиттена. С его помощью рассеивание частиц описывалось не в категориях обычного четырехмерного пространства-времени (три измерения, плюс время), что влекло бы за собой построение тысяч диаграмм Фейнмана, а в категориях твисторного пространства — четырехмерного (точнее, комплексного двумерного).

Аркани-Хамед попытался найти единую математическую структуру в основе взаимодействий частиц. Вместе с учеными Пьером Делинем, Джейкобом Бурджейли, Фредди Качазо, Александром Гончаровым, Александром Постниковым и Ярославом Трнка он обнаружил, что формулы BCFW, описывающие отношения между частицами, соответствуют геометрическому объекту. Твисторные диаграммы, как выяснилось, позволяли по частям вычислять его объем. Объект этот — грассманиан (или Грассманово многообразие), то есть область в N-мерном пространстве, ограниченная пересекающимися плоскостями (N здесь соответствует числу частиц, участвующих в описываемом взаимодействии).

Однако, вопреки надеждам математиков, грассманиан сам по себе не позволял вычислить амплитуду рассеивания — по-прежнему необходимо было учитывать положение частиц в пространстве-времени и, руководствуясь этим, выбирать только некоторые части Грассманова многообразия. Казалось, от полностью геометрического решения ученых отделял лишь один шаг — и недавно исследовательская группа Аркани-Хамед его сделала.

Ученые описали фигуру, объему которой и равна амплитуда рассеивания. Именно она получалась при ручном сложении отдельных частей объема грассманиана. Количество измерений и граней амплитуэдра определяется условиями описываемого процесса. Аркани-Хамед и Трнка нашли способ, по крайней мере, в некоторых случаях, вычислять объем амплитуэдра напрямую, не пользуясь ни твисторными диаграммами, ни тем более диаграммами Фейнмана.

Возможность быстро вычислять параметры квантовых взаимодействий полезна сама по себе. Но открытие группы Аркани-Хамеда может стать важным шагом на пути к разрешению противоречия между гравитацией и квантовой теорией поля. В черных дырах, где огромная масса вещества оказывается сжата до крайне малых размеров, гравитация начинает оказывать заметное влияние на квантовые взаимодействия. Это ведет к отклонениям либо от принципа локальности (частицы могут взаимодействовать, только находясь на соседних позициях в пространстве-времени) либо от принципа унитарности (сумма вероятностей всех исходов взаимодействия равна единице). Однако с помощью амплитуэдра квантовые взаимодействия удалось описать вообще без учета этих принципов — осталось только дополнить эту модель, собственно, гравитацией, а для этого предстоит найти родственный, но более сложный геометрический объект.

Читайте в рубрике «Наука и технологии» Казань выбрала лучшие стартапыИнвесторы на Kazan Startup Weekend в ИТ-парке начали сотрудничество с несколькими стартапами Казань выбрала лучшие стартапы

Комментарии

19 сентября 2013, 08:53
Реальность пространства и времени - это конечно очень трепетная тема и однозначно что-либо утверждать здесь просто нельзя, так как рассуждения об этом относятся скорее к области философии.
19 сентября 2013, 09:36
Физический мир построен на фрактальных принципах
Посмотрите квадрат Серпинского, в принципе те же зависимости.
Ну а космос вообще абсолютно фрактальный..
По сути во фракталах надо искать ответы на многие нелогичные космические факты
19 сентября 2013, 10:12
Черные дыры помогут нам победить экономический кризис?
Вот о том и речь вчера в госдуме была - что дает стране фундаментальная наука, кроме дополнительных вопросов и нерешенных задач?
А ведь это миллиарды рублей которые никак не возвращаюьтся в казну страны!
19 сентября 2013, 09:02
Статья для физиков? Объясните простым людям, как это гениальное открытие можно применить в повседневной жизни? Уходить от реальности мы в принципе уже умеем с помощью различных веществ, осталось научиться путешествовать во времени)
19 сентября 2013, 13:58
Кстати, вы в курсе, что американский физик Ричард Фейнман, которого автор называет основателем изучения амплитуды рассеивания, в 1943-1945 годах входил в число разработчиков атомной бомбы в Лос-Аламосе.
Вот такой ученый.
24 сентября 2013, 13:45
В результате взаимодействия частиц выяснилось,что одинаковые частицы реагируют на раздражения одной из них,даже если обе друг от друга на расстоянии в световой год. Если понять этот процесс,то можно передвигаться *искривляя пространство*. Наверняка конечным продуктом ряда научных открытий станет ракета нового поколения
19 сентября 2013, 10:07
Видимо американцы уже давно потеряли способность адекватно воспринимать реальность - вот до чего доводит паразитический образ жизни!
19 сентября 2013, 12:02
Это работа в области теории суперструн, которая сама по себя, что есть
общеприяннаный факт, по крайней мере, среди посвящённых, является
внутренне необычайно противоречивой теорией. Она и не может принципиально
быть иной,ибо в основе всех таких подходов лежит пространство Минковского,
где метрика представляет собой разность квадратов световой и
пространственной координат.
В результате, световой конус является с точки зрения такой метрики просто
точкой, и постоянное приближение любой последовательности к его реально
разным геометическим точкам означает её сходимость. Конечно же, на самом
деле такой сходимости нет, отчего пространство Минковского является
ненормальным пространством.
Предлагаемым его заменителем из числа нормальных пространств является
гиперкоплекснеые алгебры. Представленная в "Древнеарийской филосойфии"
Беляева И.Н. алгебра тензокватернионов позволяет более изящно, чем в
ортодоксальнйо науке, вывести уравнения Максвелла, причём строго и без
присущей официальной точке зрения, известной только посвящённым, ошибок,
что доказывает адекватность данной альтернативной методики.
19 сентября 2013, 13:06
Что в очередной раз доказывает, что наши предки были более высокоразвитой цивилизацией, чем мы. А знания эти теперь утрачены. Человечество паразитирует.
19 сентября 2013, 13:51
Сергей, и вы единоросс??
19 сентября 2013, 15:16
Вы что, разве не видите что на аватарке этого достойного человека перечеркнут ненавистный единоросовский флаг! Какой же он после этого единорос?
19 сентября 2013, 13:19
Такое впечатление что все эти ученые живут абстрагировано в каком-то своем, ином и ни кому не нужном мире, в то время как в современной реальности творятся по истине жуткие дела, жизнь бьет ключом и не только)), и в то же время проходит мимо для этих вконец свихнувшихся физиков...
Какова цель всех этих исследований? Улететь обратно на Марс, когда обезумевшее человечество "сожрет" и эту прекрасную некогда планету?
19 сентября 2013, 22:40
Если вы не интересуетесь темой этого исследования, что тогда время тратите на написание комментария?
Идите лесом - статья для мыслящих интеллектуалов, а не для интернет-бездельника
20 сентября 2013, 08:51
Древние все это знали без многомиллиардных исследований и умели перемещаться в пространстве и времени с помощью разума. Истина - она перед нами, но люди начинают лезть в структуру вещей, пытаясь найти ее именно там. И не только там. Никто не задумывался, почему бесконечно большое и бесконечно малое так похоже? Ведь если смотреть в небо с помощью мощного телескопа и на любую материю с помощью мощного микроскопа, то увидим в конечном итоге одно - шарики, вокруг которых вращаются другие шарики.
20 сентября 2013, 10:23
это вы по Рен-тв посмотрели, про перемещения древних людей?))
20 сентября 2013, 16:14
Обидно, что подобные будоражащие умы открытия делаются не в нашей стране, а в каком-то Институте перспективных исследований в Принстоне. А наши горе-ученые ходят возле Думы стоять и просить что бы их не реформировали. Работать им больше надо, а не ерундой заниматься.
21 сентября 2013, 13:45
Наши ученые столько не получаю сколько платят в Принстоне, оттого и вокруг Госдуры ходют((
24 сентября 2013, 12:49
Сейчас физики превратились в математиков, они уже давно оторвались от реальности. Не все возможно в физике, что возможно в математике. Физика оперирует физическими объектами, а таких физических объектов как пространство и время нет. Их придумал человек для облегчения общения и рассуждения, но потом забыли об этом, пространство и время "материализовалось" в умах ученых, а отсюда и все заблуждения. В мире физически нет ничего кроме эфира, состоящего из эфиронов (амер), а все остальное это колебания и движения в нем.
25 сентября 2013, 09:23
Кстати что то тема по реформе РАН подутихла. Все, ученые устали бороться за свои права?
18 декабря 2013, 11:59
Вообще интересен сам принцип по которому нам приходится познавать мир - приблизится к решению противоречий между гравитацией и квантовой теорией мы смогли не раньше чем изобрели способ и среду для моделирования этих процессов. Мы как бы идём к тому что бы с течением времени научиться воссоздавать окружающий нас мир.
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Расширяйте круг интересов!
Мы пишем об истории, обороне, науке и многом другом. Подписывайтесь на «Русскую планету» в соцсетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»