Bakgrunnsuavhengighet - Background independence

Bakgrunnsuavhengighet er en betingelse i teoretisk fysikk , som krever at en teoris definerende ligninger er uavhengige av den faktiske formen på romtiden og verdien av forskjellige felt i romtiden. Spesielt betyr dette at det må være mulig å ikke referere til et spesifikt koordinatsystem- teorien må være koordinatfri . I tillegg bør de forskjellige romtidskonfigurasjonene (eller bakgrunnene) oppnås som forskjellige løsninger på de underliggende ligningene.

Beskrivelse

Bakgrunnsuavhengighet er en løst definert egenskap ved en teori om fysikk. Grovt sett begrenser det antallet matematiske strukturer som brukes til å beskrive rom og tid som settes på plass "for hånd". I stedet er disse strukturene et resultat av dynamiske ligninger, for eksempel Einstein -feltligninger , slik at man fra første prinsipper kan bestemme hvilken form de skal ha. Siden metrisens form bestemmer resultatet av beregninger, er en teori med bakgrunnsuavhengighet mer prediktiv enn en teori uten den, siden teorien krever færre innspill for å gjøre sine spådommer. Dette er analogt med å ønske færre gratis parametere i en grunnleggende teori.

Så bakgrunnsuavhengighet kan sees på som å utvide de matematiske objektene som bør forutsies fra teorien til å inkludere ikke bare parametrene, men også geometriske strukturer. For å oppsummere dette, skriver Rickles: "Bakgrunnsstrukturer står i kontrast med dynamiske, og en bakgrunnsuavhengig teori besitter bare den sistnevnte typen - åpenbart er bakgrunnsavhengige teorier de som har den tidligere typen i tillegg til den sistnevnte typen."

I generell relativitet er bakgrunnsuavhengighet identifisert med egenskapen at metrikk for romtid er løsningen på en dynamisk ligning. I klassisk mekanikk er dette ikke tilfelle, metrikken er fikset av fysikeren for å matche eksperimentelle observasjoner. Dette er uønsket, siden metrikkens form påvirker de fysiske spådommene, men ikke selv er spådd av teorien.

Manifest bakgrunn uavhengighet

Manifest bakgrunnsuavhengighet er først og fremst et estetisk snarere enn et fysisk krav. Det er analogt og nært beslektet med å kreve i differensialgeometri at ligninger skrives i en form som er uavhengig av valg av diagrammer og koordinering av innebygninger. Hvis en bakgrunnsuavhengig formalisme er tilstede, kan det føre til enklere og mer elegante ligninger. Imidlertid er det ikke noe fysisk innhold i å kreve at en teori er åpenbart bakgrunnsuavhengig- for eksempel kan ligningene for generell relativitet omskrives i lokale koordinater uten å påvirke de fysiske implikasjonene.

Selv om det å gjøre en eiendomsmanifest bare er estetisk, er det et nyttig verktøy for å sikre at teorien faktisk har den egenskapen. For eksempel, hvis en teori er skrevet på en åpenbart Lorentz-invariant måte, kan man kontrollere hvert trinn for å være sikker på at Lorentz-invariansen er bevart. Å gjøre en eiendom åpenbar gjør det også klart om teorien faktisk har den egenskapen eller ikke. Manglende evne til å gjøre klassisk mekanikk åpenbart Lorentz-invariant gjenspeiler ikke mangel på fantasi fra teoretikerens side, men snarere et fysisk trekk ved teorien. Det samme gjelder for å gjøre klassisk mekanikk eller elektromagnetisme bakgrunnsuavhengig.

Teorier om kvantegravitasjon

På grunn av den spekulative karakteren av kvante-tyngdekraftforskning, er det mye debatt om riktig implementering av bakgrunnsuavhengighet. Til syvende og sist skal svaret avgjøres ved eksperiment, men inntil eksperimenter kan undersøke fenomener med kvantegravitasjon, må fysikere nøye seg med debatt. Nedenfor er en kort oppsummering av de to største kvantegravitasjonsmetodene.

Fysikere har studert modeller for 3D kvantegravitasjon, som er et mye enklere problem enn 4D kvantegravitasjon (dette er fordi i 3D har kvantegravitasjon ingen lokale frihetsgrader). I disse modellene er det ikke-null overgangsamplituder mellom to forskjellige topologier, eller med andre ord, topologien endres. Dette og andre lignende resultater får fysikere til å tro at enhver konsekvent kvante -teori om tyngdekraften bør omfatte endring av topologi som en dynamisk prosess.

Strengteori

Strengteori er vanligvis formulert med forstyrrelsesteori rundt en fast bakgrunn. Selv om det er mulig at teorien som er definert på denne måten er lokalt bakgrunn-invariant, er den i så fall ikke åpenbar, og det er ikke klart hva den eksakte meningen er. Et forsøk på å formulere strengteori på en åpenbart bakgrunnsuavhengig måte er strengfeltteori , men det er gjort få fremskritt med å forstå den.

En annen tilnærming er den formodede, men likevel uprøvde AdS/CFT-dualiteten , som antas å gi en fullstendig, ikke-forstyrrende definisjon av strengteori i rom med anti-de Sitter- asymptotika. I så fall kan dette beskrive en slags overvalgssektor i den antatte bakgrunnsuavhengige teorien. Men det vil fortsatt være begrenset til asymptotika mot de-Sitter i rommet, noe som er uenig i de nåværende observasjonene av vårt univers. En fullstendig ikke-forstyrrende definisjon av teorien i vilkårlig bakgrunn i romtiden mangler fortsatt.

Topologiendring er en etablert prosess innen strengteori .

Sløyfe kvantegravitasjon

En helt annen tilnærming til kvantegravitasjon som kalles loop quantum tyngdekraften er helt ikke-perturbativ og åpenbart bakgrunnsuavhengig: geometriske størrelser, for eksempel areal, forutsies uten referanse til en bakgrunnsmetrisk eller asymptotikk (f.eks. Ikke behov for en bakgrunnsmetrisk eller en anti -de Sitter asymptotics), bare en gitt topologi .

Se også

Referanser

Videre lesning