Niezależność w tle

Niezależność tła to warunek w fizyce teoretycznej , który wymaga, aby równania definiujące teorię były niezależne od rzeczywistego kształtu czasoprzestrzeni i wartości różnych pól w czasoprzestrzeni. W szczególności oznacza to, że musi istnieć możliwość nieodnoszenia się do określonego układu współrzędnych — teoria musi być wolna od współrzędnych . Ponadto różne konfiguracje czasoprzestrzeni (lub tła) powinny być uzyskiwane jako różne rozwiązania leżących u ich podstaw równań.

Opis

Niezależność tła jest luźno zdefiniowaną właściwością teorii fizyki. Z grubsza rzecz biorąc, ogranicza liczbę struktur matematycznych używanych do opisu przestrzeni i czasu, które są wprowadzane „ręcznie”. Zamiast tego struktury te są wynikiem równań dynamicznych, takich jak równania pola Einsteina , dzięki czemu można określić na podstawie pierwszych zasad, jaką formę powinny one przyjąć. Ponieważ postać metryki określa wynik obliczeń, teoria z niezależnością od tła jest bardziej predykcyjna niż teoria bez niej, ponieważ teoria wymaga mniej danych wejściowych, aby móc przewidzieć. Jest to analogiczne do pragnienia mniejszej liczby wolnych parametrów w teorii fundamentalnej.

Tak więc niezależność od tła można postrzegać jako rozszerzenie obiektów matematycznych, które należy przewidywać na podstawie teorii, tak aby obejmowały nie tylko parametry, ale także struktury geometryczne. Podsumowując, Rickles pisze: „Struktury tła są przeciwstawiane strukturom dynamicznym, a teoria niezależna od tła posiada tylko ten drugi typ - oczywiście teorie zależne od tła to te, które posiadają pierwszy typ oprócz drugiego typu”.

W ogólnej teorii względności niezależność od tła utożsamiana jest z tą właściwością, że metryka czasoprzestrzeni jest rozwiązaniem równania dynamicznego. W mechanice klasycznej tak nie jest, metryka jest ustalana przez fizyka, aby pasowała do obserwacji eksperymentalnych. Jest to niepożądane, ponieważ forma metryki wpływa na przewidywania fizyczne, ale sama w sobie nie jest przewidziana przez teorię.

Manifestuj niezależność tła

Oczywista niezależność od tła jest przede wszystkim wymogiem estetycznym, a nie fizycznym. Jest to analogiczne i ściśle związane z wymaganiem w geometrii różniczkowej , aby równania były zapisywane w formie niezależnej od wyboru wykresów i osadzania współrzędnych. Jeśli obecny jest formalizm niezależny od tła, może to prowadzić do prostszych i bardziej eleganckich równań. wyraźnie niezależna od tła , nie ma fizycznej treści - na przykład równania ogólnej teorii względności można przepisać we współrzędnych lokalnych bez wpływu na implikacje fizyczne.

Chociaż manifestacja właściwości jest tylko estetyczna, jest użytecznym narzędziem do upewnienia się, że teoria rzeczywiście ma tę właściwość. Na przykład, jeśli teoria jest napisana w sposób ewidentnie niezmienniczy Lorentza, można na każdym kroku sprawdzać, czy niezmienniczość Lorentza jest zachowana. Manifestacja właściwości wyjaśnia również, czy teoria rzeczywiście ma tę właściwość. Niemożność uczynienia mechaniki klasycznej jawnie niezmienną Lorentza nie odzwierciedla braku wyobraźni ze strony teoretyka, ale raczej fizyczną cechę teorii. To samo dotyczy uniezależniania mechaniki klasycznej lub elektromagnetyzmu od tła.

Teorie grawitacji kwantowej

Ze względu na spekulatywny charakter badań nad grawitacją kwantową toczy się wiele dyskusji na temat prawidłowego wdrożenia niezależności od tła. Ostatecznie odpowiedź ma zostać rozstrzygnięta przez eksperyment, ale dopóki eksperymenty nie będą w stanie zbadać zjawisk grawitacji kwantowej, fizycy muszą zadowolić się debatą. Poniżej znajduje się krótkie podsumowanie dwóch największych podejść kwantowo-grawitacyjnych.

Fizycy badali modele grawitacji kwantowej 3D, która jest znacznie prostszym problemem niż grawitacja kwantowa 4D (ponieważ w 3D grawitacja kwantowa nie ma lokalnych stopni swobody). W tych modelach występują niezerowe amplitudy przejść między dwiema różnymi topologiami, czyli innymi słowy topologia się zmienia. Te i inne podobne wyniki prowadzą fizyków do przekonania, że każda spójna kwantowa teoria grawitacji powinna uwzględniać zmianę topologii jako proces dynamiczny.

Teoria strun

Teoria strun jest zwykle formułowana z teorią perturbacji wokół stałego tła. Chociaż możliwe jest, że teoria zdefiniowana w ten sposób jest lokalnie niezmienna w tle, jeśli tak, to nie jest to oczywiste i nie jest jasne, jakie jest dokładne znaczenie. Jedną z prób sformułowania teorii strun w sposób wyraźnie niezależny od tła jest teoria pola strun , ale poczyniono niewielkie postępy w jej zrozumieniu.

Innym podejściem jest przypuszczalna, ale jeszcze nie udowodniona dualność AdS/CFT , która, jak się uważa, zapewnia pełną, nieperturbacyjną definicję teorii strun w czasoprzestrzeniach z asymptotykami anty-de Sittera . Jeśli tak, mogłoby to opisywać rodzaj sektora superselekcji domniemanej teorii niezależnej od tła. Ale nadal byłoby to ograniczone do asymptotyki przestrzeni anty-de Sittera, co nie zgadza się z obecnymi obserwacjami naszego Wszechświata. Nadal brakuje pełnej, nieperturbacyjnej definicji teorii w dowolnym tle czasoprzestrzennym.

Zmiana topologii jest ustalonym procesem w teorii strun .

Zapętlona grawitacja kwantowa

Zupełnie inne podejście do grawitacji kwantowej, zwane pętlową grawitacją kwantową , jest w pełni nieperturbacyjne i wyraźnie niezależne od tła: wielkości geometryczne, takie jak powierzchnia, są przewidywane bez odniesienia do metryki tła lub asymptotyki (np . -de Sitter asymptotics), tylko dana topologia .

Zobacz też

Dalsza lektura

Rozali, M. (2009). „Komentarze dotyczące niezależności tła i nadmiarowości skrajni”. Zaawansowane listy naukowe . 2 (2): 244–250. ar Xiv : 0809.3962 . doi : 10.1166/asl.2009.1031 . S2CID 119111777 .
Smolin, L. (2005). „Sprawa niezależności tła”. arXiv : hep-th/0507235 .
Colosi, Daniele; Doplicher, Luisa; Fairbairn, Winston; Modesto, Leonardo; Noui, Karim; Rovelli, Carlo (21 lipca 2005). „Niezależność tła w pigułce: dynamika czworościanu”. Grawitacja klasyczna i kwantowa . 22 (14): 2971–2989. arXiv : gr-qc/0408079 . Bibcode : 2005CQGra..22.2971C . CiteSeerX 10.1.1.339.4684 . doi : 10.1088/0264-9381/22/14/008 . OSTI 20663623 . S2CID 17317614 .
Witten, E. (1993). „Niezależność tła kwantowego w teorii strun”. arXiv : hep-th/9306122 .
Stachel, J. (1993). „Znaczenie ogólnej kowariancji: historia dziury” . W Earman, J.; Janis, A.; Massey, G. & Rescher, N. (red.). Filozoficzne problemy światów wewnętrznych i zewnętrznych: eseje o filozofii Adolfa Grünbauma . Wydawnictwo Uniwersytetu w Pittsburghu . s. 129–160. ISBN 0-8229-3738-7 .
Stachel, J. (1994). „Zmiany w koncepcjach przestrzeni i czasu spowodowane przez teorię względności” . W Gould, CC & Cohen, RS (red.). Artefakty, reprezentacje i praktyka społeczna . Akademicki Kluwer . s. 141–162. ISBN 0-7923-2481-1 .
Zahar, E. (1989). Rewolucja Einsteina: studium heurystyki . Wydawnictwo Open Court . ISBN 0-8126-9066-4 .