Gravedad cuántica
La gravedad cuántica es una rama de la física teórica que intenta unificar la mecánica cuántica y la relatividad general .
Tal teoría permitiría en particular comprender fenómenos que involucran grandes cantidades de materia o energía en pequeñas dimensiones espaciales, como los agujeros negros o el origen del Universo .
El enfoque general utilizado para derivar una teoría de la gravedad cuántica es, asumiendo que la teoría subyacente debe ser simple y elegante, examinar las simetrías e índices para combinar la mecánica cuántica y la relatividad general en una teoría global unificada.
problemática
La mayoría de las dificultades de esta unificación provienen de los supuestos radicalmente diferentes de estas teorías sobre la estructura y función del universo:
De hecho, la mecánica cuántica postula que las partículas mediadoras ( cuantos ) corresponden a cada una de las fuerzas empleadas en el llamado espacio-tiempo "plano" (es decir, euclidiano o pseudoeuclidiano ) de la mecánica newtoniana o de la relatividad especial , mientras que la teoría de la relatividad general modela la gravedad como una curvatura de un espacio-tiempo pseudo- riemanniano cuyo radio es proporcional a la densidad de energía (masa u otra). En la misma forma de plantear el marco espacio-temporal , la relatividad general tiene otros postulados o conclusiones que no comparte la mecánica cuántica. Por ejemplo, en la relatividad general, la gravedad hace que el tiempo se dilate , mientras que la mecánica cuántica se basa en un tiempo uniforme. Además, la relatividad predice que el volumen propio también se ve afectado por la gravedad, mientras que la mecánica cuántica no reconoce un efecto gravitacional sobre el volumen.
Una dificultad adicional proviene del éxito tanto de la mecánica cuántica como de la teoría de la relatividad general : ambas tienen éxito, sus hipótesis están verificadas (descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 para la mecánica cuántica y su modelo estándar , ondas gravitacionales en 2015 para la relatividad general ) y ningún fenómeno los contradice. Por tanto, consideramos que estas dos teorías deben ser dos aproximaciones de la misma teoría unificada, así como la mecánica newtoniana es una buena aproximación de la mecánica relativista.
Sin embargo, las energías y condiciones en las que podría verificarse la gravedad cuántica son las de la escala de Planck , por lo que son inaccesibles para nuestra tecnología. Además, no hay observaciones experimentales disponibles para dar pistas sobre cómo combinarlas.
Sin embargo, las formas más triviales de combinar estas dos teorías (como tratar la gravedad como un campo que posee una partícula mediadora: el gravitón ) se topan con el problema de la renormalización . De hecho, la gravedad es sensible a la masa, por lo que de acuerdo con el principio de equivalencia de masa y energía en la relatividad especial , también es sensible a la energía. Por lo tanto, un gravitón debe interactuar consigo mismo, lo que crea nuevos gravitones que, a su vez, interactúan nuevamente. Entonces aparecen infinitos valores de energía que no se pueden eliminar.
Enfoques candidatos
Se han presentado varias propuestas para abordar el problema:
- El primer intento de curar la no renormalización de la gravedad fue agregar el ingrediente de la supersimetría para relacionar el comportamiento del gravitón con el de otras partículas de menor espín y así suavizar las divergencias de la teoría. El resultado se llama teoría de la supergravedad . A pesar de un mejor comportamiento a altas energías, un análisis dimensional simple de la constante de acoplamiento de la teoría (es decir, la constante de Newton ) sugiere fuertemente que las divergencias permanecen y, por lo tanto, estas teorías deberían ser reemplazadas por una teoría más completa cuando se acerque a la escala de Planck . Sin embargo, la cuestión de la aparición de divergencias ultravioleta en el tratamiento perturbativo de la teoría sigue siendo una cuestión abierta en 2019. De hecho, cálculos explícitos recientes, llevados a cabo con técnicas contemporáneas sin pasar por el tedioso uso de diagramas de Feynman para cálculos perturbativos de alto orden, revelaron la existencia de propiedades previamente invisibles en una formulación lagrangiana de la teoría. De hecho, bajo el efecto de cancelaciones inesperadas, las divergencias retroceden a órdenes superiores, ligeramente fuera de nuestro alcance computacional actual.
- La teoría M, a menudo llamada teoría de cuerdas por razones históricas, o, más precisamente, la teoría de supercuerdas es un intento no solo de una descripción cuántica de la gravedad sino también de otras interacciones fundamentales presentes en el modelo estándar de física de partículas . Los diferentes modelos de la teoría de cuerdas están perfectamente definidos desde un punto de vista cuántico y admiten notablemente las teorías de la supergravedad como teorías efectivas de baja energía. En este sentido las teorías de cuerdas proporcionan una descripción microscópica, también hablamos de compleción ultravioleta , a las teorías de la supergravedad. Es la rama más activa de este campo en cuanto a número de investigadores y publicaciones.
- Con nociones en común con este último, el dilatón hace su primera aparición en la teoría de Kaluza-Klein . En 2007, aparece en el problema de varios cuerpos de dimensiones reducidas basado en la teoría de campo de Roman Jackiw . La motivación vino de querer obtener las soluciones analíticas completas para la métrica del problema covariante de N cuerpos, una meta difícil y casi ilusoria en la relatividad general . Para simplificar el problema, el número de dimensiones se ha reducido a (1 + 1) , es decir, una dimensión espacial y una dimensión temporal. El modelo obtenido se denomina R = T (con respecto a G = T de la relatividad general). No solo se pueden obtener soluciones exactas en términos de una generalización de la función W de Lambert , el dilatón se rige por la ecuación de Schrödinger y, por lo tanto, se aplica la cuantificación. Obtenemos así una teoría que combina (y une de forma natural) la gravedad (de origen geométrico), el electromagnetismo y la mecánica cuántica. Anteriormente, la generalización de esta teoría a dimensiones superiores no estaba clara. Por otro lado, una derivación reciente en (3 + 1) dimensiones, para una elección particular de condiciones de coordenadas, proporciona un resultado similar, es decir, el campo de dilatón está gobernado por una ecuación de Schrödinger con logarítmica de no linealidad que aparece en la física de materia condensada y superfluidos . Además, estos resultados son interesantes dada la semejanza entre el dilatón y el bosón de Higgs . Sin embargo, solo la experimentación podrá resolver la relación entre estas dos partículas. Algunos científicos que han estudiado la dimensión "4 + 1" han demostrado que se puede tener en cuenta .
- La teoría twistor de Roger Penrose propuesta en la década de 1970 introdujo un nuevo formalismo para el estudio de soluciones de las ecuaciones de la relatividad general y, como tal, podría proporcionar un mejor punto de partida para cuantificarlo. Pero los esfuerzos en esta dirección no han tenido éxito y el proyecto de cuantificación por esta vía está hoy abandonado. Por otro lado, el formalismo de twistor sigue siendo útil en el contexto de la relatividad e incluso encontró un renovado interés en 2007 como parte del estudio de la teoría de Yang-Mills a través de la teoría de cuerdas (trabajo de Witten sobre este último punto).
Ensayos experimentales
Los efectos de la gravedad cuántica son extremadamente difíciles de probar. Es por esta razón que la posibilidad de probar experimentalmente la gravedad cuántica no recibió mucha atención hasta finales de la década de 1990. Sin embargo, durante la década de 2000, los físicos se dieron cuenta de que establecer evidencia de los efectos de la gravedad cuántica podría guiarlos en el desarrollo de la teoría. Desde entonces, el área ha recibido una mayor atención.
Objeto cuántico en un campo gravitacional no cuántico
Aunque no existe una descripción cuántica de la gravedad (y por lo tanto de su origen), es posible determinar el comportamiento de un objeto cuántico en presencia de la gravedad "clásica". Predecir el movimiento de una partícula en un campo de gravedad (usamos la expresión newtoniana para la gravedad, que es lo suficientemente precisa en esta escala) es incluso un ejercicio clásico para los estudiantes. Los niveles de energía potencial de la gravedad están bien cuantificados, aunque la gravedad no.
Desde entonces, el experimento ha sido llevado a cabo por Valery Nesvizhevsky en el Instituto Laue-Langevin en Grenoble1, lo que demuestra que los neutrones están de hecho en las trayectorias predichas por la mecánica cuántica.
Detección de gravedad cuántica
Las teorías más activamente desarrolladas son también la invariancia de Lorentz , los efectos de las huellas de la gravedad cuántica en el fondo cósmico difuso (en particular su polarización) y la decoherencia inducida por fluctuaciones en la espuma cuántica .
Las detecciones realizadas inicialmente durante el experimento de Imágenes de fondo de polarización extragaláctica cósmica se interpretaron primero como primordiales (modos B | polarización en modo B) causadas por ondas gravitacionales en el universo temprano. Si son realmente primordiales, estas ondas nacen como una fluctuación cuántica dentro de la propia gravedad. El cosmólogo de la Universidad de Tufts, Ken Olum, escribió: “Creo que esta es la única evidencia observable que tenemos que nos muestra la gravedad cuantificada. Esta es probablemente la única prueba que tendremos. "
Teóricos de la gravedad cuántica
Apéndices
Artículos relacionados
enlaces externos
Notas y referencias
-
John A. Macken, El universo es solo espacio-tiempo p. 4-7.
-
(en) Bern , Carrasco , Chen , Edison , Johansson , Parra-Martinez , Roiban y Zeng , " Propiedades ultravioleta de la supergravedad N = 8 en cinco bucles " , Phys. Rvdo. D , n o 98,2018( DOI 10.1103 / PhysRevD.98.086021 , arXiv 1804.09311v1 )
-
PS Farrugia, RB Mann y TC Scott (2007). "La gravedad de N-cuerpos y la ecuación de Schrödinger", Clase. Quantum Grav. 24 : 4647-4659, [1] ; Artículo Arxiv [2] .
-
(en) TC Scott , Xiangdong Zhang , Robert Mann y GJ Fee , " Reducción canónica de la gravedad dilatónica en dimensiones 3 + 1 " , Physical Review D , vol. 93, n o 8,2016, p. 084017 ( DOI 10.1103 / PhysRevD.93.084017 , arXiv 1605.03431 )
-
(en) B. Bellazzini , C. Csaki , J. Hubisz , J. Serra y J. Terning , " A Higgs-like dilaton " , Eur. Phys. JC , vol. 73, n o 22013, p. 2333
-
(in) El universo habla en números: desenterrando la joya cuántica , Graham Farmelo, 2019
-
(en) Sabine Hossenfelder y VR Frignanni (edición), Gravedad clásica y cuántica: teoría, análisis y aplicaciones , Hauppauge (NY), Nova Science Publishers ,2011, 656 p. ( ISBN 978-1-61122-957-8 , leer en línea ) , cap. 5 ("Búsqueda experimental de gravedad cuántica").
-
Sabine Hossenfelder y VR Frignanni ( eds. ), " Búsqueda experimental de la gravedad cuántica ", Gravedad clásica y cuántica: teoría, análisis y aplicaciones , Nova Publishers, vol. 5, n o 201117 de octubre de 2010( Código Bibliográfico 2010arXiv1010.3420H , arXiv 1010.3420 )
-
[PDF] Física fundamental con neutrones ultra fríos
-
Cécile Michaut, " Saltos cuantificados de neutrones ", La Recherche , n o 353,Mayo de 2002, p. 16 ( leer en línea )
-
Camille Carlisle, " First Direct Evidence of Inflation Big Bang " , SkyandTelescope.com (consultado el 18 de marzo de 2014 )