Holograficzny opis grawitacji
Rozpoczynając prace nad projektem w 2015 roku, dr Manuela Kulaxizi, odbywająca staż podoktorski na wydziale matematyki na uniwersytecie Trinity College w Dublinie, kierowała się chęcią zbadania kwantowych aspektów odpowiedniości AdS/CFT, w tym powstawania czasoprzestrzeni i grawitacji, w kontrolowanych warunkach. W tym celu dr Kulaxizi przeanalizowała korelację funkcji splątania oraz CFT przy dużych N. Mimo niezwykle teoretycznego charakteru, projekt ten stworzył podstawy dla przyszłych badań nad czarnymi dziurami: „Opierając się na istniejących założeniach dotyczących teorii strun i grawitacji, można oczekiwać, że kwantowa teoria grawitacji również będzie »holograficzna«” – twierdzi dr Kulaxizi. „To oznacza, że powinien istnieć opis fizyki grawitacji bazujący na całkowicie innej teorii kwantowej, podobnej do tej opisującej wiązania między kwarkami i gluonami w jądrach atomów – ale z pominięciem jednego wymiaru. Moja praca przyczyni się do opracowania tego holograficznego opisu grawitacji”. Badaczka zaczęła od przyjęcia konforemnej teorii pola (CFT, Conformal Field Theory) – konforemnie niezmienniczej zwykłej teorii kwantowej – i przeanalizowania warunków, w jakich ta teoria będzie posiadać alternatywny opis w ujęciu grawitacyjnym. „Dodatkowe symetrie sprawiają, że teoria ta jest o wiele prostsza niż zwykłe teorie kwantowe” – wyjaśnia dr Kulaxizi. Zespół skupił się na specjalnych klasach CTF, które prawdopodobnie posiadają opis grawitacyjny, z myślą obliczeniu określonych czteropunktowych funkcji korelacji w tych CFT. Oczekiwano, że funkcje korelacji CFT pozwolą stworzyć dualny/holograficzny opis „rozproszenia cząstek w polu grawitacyjnym”. Dzięki uproszczonym obliczeniom, w których przyjęto ograniczenia odpowiadające rozproszeniu bardzo szybko poruszających się cząstek, jak również dzięki wymuszeniu unitarności wyniku dla funkcji korelacji, zespół był w stanie wykazać istnienie grawitacji. Dr Kulaxizi tak opisuje układ doświadczalny: „Teoria grawitacji Einsteina przewiduje, że, w przybliżeniu, dwie bardzo szybko poruszające się cząstki po zderzeniu ze sobą będą kontynuować swój ruch w niemal niezmieniony – poza opóźnieniem czasowym – sposób. Udało nam się opisać, w jaki sposób uzyskać dokładnie to samo wyrażenie dla opóźnienia czasowego oraz tę samą fizykę w terminach zupełnie innej wielkości, zdefiniowanej w naturalny sposób w alternatywnym holograficznym opisie grawitacji”. Szybko przemieszczające się cząstki mają interesujący wpływ na otaczającą je przestrzeń: powodują powstawanie wokół nich nietrywialnych krzywizn nazywanych „geometriami fal uderzeniowych”. Wyniki projektu pozwoliły lepiej zrozumieć mechanizmy tworzenia opisów czasoprzestrzeni formujących się wokół szybko poruszających się obiektów przy użyciu pojęć i wielkości naturalnych dla holograficznego opisu grawitacji. W szczególności utożsamiono metrykę geometrii fal uderzeniowych konforemnymi blokami tensorów napięć w określonych granicach (tzw. granicach Reggego). „Co najważniejsze, udało nam się wyraźnie wykazać, że pewne klasy zwykłych kwantowych teorii pola – konforemne teorie pola – posiadają równoważne opisy w postaci specyficznej teorii grawitacji: teorii grawitacji Einsteina. Przykładowo dowiedliśmy, że przy pewnych założeniach teoria obejmuje cząsteczki o maksymalnym spinie równym dwa i właściwościach odpowiadających właściwościom grawitonu. Pokazaliśmy też, że innych teorii grawitacji, np. teorii Lanczosa-Gaussa-Bonneta – nie da się wyprowadzić ze spójnej konforemnej teorii pola” – podsumowuje Kulaxizi. Dr Kulaxizi ma nadzieję, że jej praca pobudzi społeczność naukową do dalszych działań, które pozwolą odkryć tajemnice spowijające grawitację kwantową i fizykę czarnych dziur.
Słowa kluczowe
QEAH, holografia, względność, fizyka kwantowa, AdS/CFT, konforemna teoria pola, CFT, czarna dziura, grawitacja
