Войти
Фоновая независимость - это условие в теоретической физике, которое требует, чтобы определяющие уравнения теории не зависеть от фактической формы пространства-времени и значений различных полей в пространстве-времени. В частности, это означает, что должна быть возможность не ссылаться на конкретную систему координат - теория должна быть бескоординатной. Кроме того, разные конфигурации пространства-времени (или фоны) должны быть получены как разные решения лежащих в основе уравнений.
Независимость от фона - это слабо определенное 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 принимать. 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, включая не только параметры, но и геометрические структуры. Резюмируя это, Риклз пишет: «Фоновые структуры контрастируют с динамическими, и независимая от фона теория обладает только вторым типом - очевидно, что теории, зависящие от фона, - это те, которые обладают первым типом в дополнение ко второму типу».
В общей теории относительности независимость от фона отождествляется с тем свойством, что метрика пространства-времени является решением динамического уравнения. В классической механике это не так, метрика устанавливается физиком для соответствия экспериментальным наблюдениям. Это нежелательно, поскольку форма метрики влияет на физические предсказания, но сама по себе не предсказывается теорией.
Явная независимость фона - это в первую очередь эстетическое, а не физическое требование. Это аналогично и тесно связано с требованием в дифференциальной геометрии, чтобы уравнения были записаны в форме, которая не зависит от выбора диаграмм 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 независимой от фона - например, уравнения общей теории относительности можно переписать в локальных координатах, не влияя на физические последствия.
Хотя создание свойства свойства носит чисто эстетический характер, это полезный инструмент для проверки того, что теория действительно обладает этим свойством. Например, если теория написана явно лоренц-инвариантным способом, можно на каждом шагу проверять, сохраняется ли лоренц-инвариантность. Проявление 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 независимости классической механики или электромагнетизма от фона.
Из-за спекулятивного характера исследований квантовой гравитации ведется много споров о правильной реализации независимости от фона. В конечном итоге ответ должен быть решен экспериментально, но до тех пор, пока эксперименты не позволят исследовать явления квантовой гравитации, физикам придется довольствоваться спорами. 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 существуют ненулевые амплитуды переходов между двумя разными топологиями, или, другими словами, топология изменяется. Этот и другие аналогичные результаты приводят физиков к мысли, что любая последовательная квантовая теория гравитации должна включать изменение топологии как динамический процесс.
Теория струн обычно формулируется с помощью теории возмущений на фиксированном фоне. Хотя возможно, что теория, определенная таким образом, локально инвариантна к фону, если это так, то это не проявляется, и неясно, каков точный смысл. Одной из попыток сформулировать теорию струн явно независимым от фона способом является теория поля струн, но в ее понимании мало что сделано.
Другой подход - это предполагаемая, но еще не доказанная дуальность AdS / CFT, которая, как полагают, обеспечивает полное, непертурбативное определение теории струн в пространстве-времени с анти-де Асимптотика Ситтера. Если так, то это могло бы описывать своего рода сектор суперселекции предполагаемой независимой от фона теории. 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.
Изменение топологии - это установленный процесс в теории струн.
Совершенно иной подход к квантовой гравитации, называемый петлевой квантовой гравитацией, совершенно не подходит. -пертурбативная, явная независимая от фона: геометрические величины, такие как площадь, предсказываются без ссылки на фоновую метрику или асимптотику (например, нет необходимости в фоновой метрике или асимптотике анти-де Ситтера ), только заданная топология.
