Фоновая независимость - Background independence

Фоновая независимость это условие в теоретическая физика, что требует, чтобы определяющие уравнения теории не зависели от действительной формы пространство-время и ценность различных поля в пространстве-времени. В частности, это означает, что должна быть возможность не ссылаться на конкретный система координат - теория должна быть безкоординатный. Кроме того, разные конфигурации пространства-времени (или фоны) должны быть получены как разные решения лежащих в основе уравнений.

Описание

Независимость от фона - это плохо определяемое свойство теории физики. Грубо говоря, он ограничивает количество математических структур, используемых для описания пространства и времени, которые создаются «вручную». Вместо этого эти структуры являются результатом динамических уравнений, таких как Уравнения поля Эйнштейна, так что можно из первых принципов определить, какую форму они должны принять. Поскольку форма метрики определяет результат вычислений, теория с независимостью от фона более предсказуема, чем теория без нее, поскольку теория требует меньшего количества входных данных для своих предсказаний. Это аналогично желанию меньшего количества свободных параметров в фундаментальной теории.

Таким образом, независимость от фона можно рассматривать как расширение математических объектов, которые должны быть предсказаны на основе теории, с включением не только параметров, но и геометрических структур. Резюмируя это, Риклз пишет: «Фоновые структуры контрастируют с динамическими, и независимая от фона теория обладает только вторым типом - очевидно, теории, зависящие от фона, - это теории, обладающие первым типом в дополнение ко второму типу».[1]

В общая теория относительности, независимость от фона отождествляется с тем свойством, что метрика пространства-времени является решением динамического уравнения.[2] В классическая механика, это не так, метрика устанавливается физиком в соответствии с экспериментальными наблюдениями. Это нежелательно, поскольку форма метрики влияет на физические предсказания, но сама по себе не предсказывается теорией.

Проявление независимости фона

Явная независимость фона - это в первую очередь эстетическое, а не физическое требование. Это аналогично и тесно связано с требованием дифференциальная геометрия чтобы уравнения были записаны в форме, не зависящей от выбора карт и координатных вложений. Если присутствует формализм, не зависящий от фона, он может привести к более простым и элегантным уравнениям. Однако нет физического содержания в требовании, чтобы теория была явно независимый от фона - например, уравнения общая теория относительности можно переписать в локальных координатах, не влияя на физические последствия.

Хотя создание свойства свойства носит чисто эстетический характер, это полезный инструмент для того, чтобы убедиться, что теория действительно обладает этим свойством. Например, если теория написана явно лоренц-инвариантным способом, можно на каждом шаге проверять, сохраняется ли лоренц-инвариантность. Создание манифеста свойства также дает понять, действительно ли теория обладает этим свойством. Неспособность сделать классическую механику явно лоренц-инвариантной отражает не недостаток воображения у теоретика, а скорее физическую особенность теории. То же самое касается создания классической механики или электромагнетизм не зависит от фона.

Теории квантовой гравитации

Из-за спекулятивного характера исследований квантовой гравитации ведется много споров о правильном применении независимости от фона. В конечном итоге ответ должен быть решен экспериментально, но до тех пор, пока эксперименты не смогут исследовать явления квантовой гравитации, физикам придется довольствоваться дискуссиями. Ниже приводится краткое изложение двух крупнейших подходов квантовой гравитации.

Физики изучали модели трехмерной квантовой гравитации, которая является гораздо более простой проблемой, чем четырехмерная квантовая гравитация (это потому, что в трехмерной квантовой гравитации нет локальных степеней свободы). В этих моделях есть ненулевые амплитуды переходов между двумя разными топологиями,[3] или, другими словами, меняется топология. Этот и другие аналогичные результаты приводят физиков к мысли, что любая последовательная квантовая теория гравитации должна включать изменение топологии как динамический процесс.

Теория струн

Теория струн обычно формулируется с теория возмущений вокруг фиксированного фона. Хотя возможно, что теория, определенная таким образом, локально инвариантна к фону, если это так, то это не проявляется, и неясно, каков точный смысл. Одна попытка сформулировать теорию струн явно независимым от фона образом: теория поля струн, но в понимании этого прогресса был достигнут незначительный прогресс.

Другой подход - предполагаемый, но еще не доказанный. AdS / CFT двойственность, который, как полагают, обеспечивает полное непертурбативное определение теории струн в пространстве-времени с анти-де Ситтер асимптотика. Если так, то это могло бы описать своего рода сектор суперотбора предполагаемой теории, не зависящей от фона. Но это все равно будет ограничиваться асимптотикой пространства анти-де Ситтера, что не согласуется с текущими наблюдениями за нашей Вселенной. Полное непертурбативное определение теории в произвольном пространстве-времени все еще отсутствует.

Смена топологии - это установленный процесс в теория струн.

Петлевая квантовая гравитация

Совершенно иной подход к квантовой гравитации под названием петля квантовой гравитации полностью непертурбативен, явно не зависит от фона: геометрические величины, такие как площадь, прогнозируются без ссылки на фоновую метрику или асимптотику (например, нет необходимости в фоновой метрике или анти-де Ситтер асимптотика), только заданная топология.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Риклз, Д. "Кто боится фоновой независимости?" (PDF): 4. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  2. ^ Баэз, Джон К. (28 января 1999 г.). «Многомерная алгебра и физика планковского масштаба - планковская длина». Опубликовано в Каллендер, Крейг и Хаггетт, Ник, ред. (2001). Физика встречается с философией на планковском масштабе. Cambridge U. Press. стр.172 –195.
  3. ^ Оогури, Хироши (1992). "Разделительные функции и амплитуды изменения топологии в трехмерной решеточной гравитации Понцано и Редже". Ядерная физика B (опубликовано в сентябре 1992 г.). 382 (2): 276–304. arXiv:hep-th / 9112072. Дои:10.1016 / 0550-3213 (92) 90188-Н. S2CID  12824742.

дальнейшее чтение