Gravitația cuantică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Gravitația cuantică este câmpul fizicii teoretice care încearcă să ofere o descriere a gravitației , care modelează universul pe o scară macroscopică, în concordanță cu principiile mecanicii cuantice , care descrie fenomenele tipice ale scării atomice și subatomice.

Încercarea este de a unifica cele patru forțe fundamentale ale naturii într-o teorie capabilă să înțeleagă cele trei interacțiuni ( electromagnetice , slabe și puternice ) descrise de modelul standard și cea gravitațională descrisă de relativitatea generală , ajungând, în unele modele, la -teoria numită cu totul .

Introducere

Din anii optzeci ai secolului al XX-lea , mulți teoreticieni s-au concentrat pe formularea teoriei cuantice:

Teoria relativității generale descrie câmpul gravitațional în termeni geometrici folosind noțiunea de curbură a spațiului-timp ; ca atare, nu este o teorie cuantificată, adică nu atribuie particule elementare mediante, gravitonii ipotetici, câmpului gravitațional. Descoperirea experimentală a existenței lor ar face posibilă asimilarea interacțiunii gravitaționale cu celelalte interacțiuni fundamentale, al căror cadru teoretic de referință este teoria câmpului cuantic și ar fi un pas fundamental pentru dezvoltarea unei teorii unificatoare care include relativitatea generală.

Multe dificultăți în construirea unei teorii cuantice bazate pe relativitatea generală apar din presupuneri radical diferite despre modul în care este structurat universul . Teoria câmpului cuantic descrie particulele în termeni de câmpuri care se propagă în spațiul-timp plat al relativității speciale, și anume spațiul-timp al lui Minkowski . Pentru relativitatea generală, gravitația este un efect rezultat din curbura spațiului-timp legată de schimbarea și distribuția masei și energiei. În acest context, un graviton ipotetic ar reprezenta deci o fluctuație elementară a spațiului-timp în sine și nu a unui câmp în spațiu-timp.

Cel mai simplu mod de a combina cele două teorii, care este de a trata pur și simplu gravitația ca un alt câmp de particule, are multe probleme cu renormalizarea . Particulele de gravitație se atrag reciproc și contribuie la rezultatele interacțiunilor, producând valori infinite care nu pot fi anulate pentru a produce rezultate sensibile din punct de vedere fizic. Acest lucru se întâmplă, dimpotrivă, în electrodinamica cuantică , în care rezultatele infinite numeric pot fi eliminate prin renormalizare, obținându-se predicții finite pentru secțiunea transversală a proceselor de interacțiune dintre particule.

Atât mecanica cuantică, cât și relativitatea generală au avut un mare succes; primul în fizica energiei mari și al doilea în descrierea structurii pe scară largă a universului. Din păcate, energiile și condițiile în care efectele cuantice asupra gravitației sunt relevante nu sunt la îndemâna experimentelor de laborator, adică nu există date experimentale care să poată arunca o lumină asupra modului în care se comportă spațiul-timp pe scara Planck . Ar fi nevoie de o teorie unificatoare pentru a înțelege primele momente ale vieții universului după Big Bang și comportamentul găurilor negre .

Incompatibilitatea dintre mecanica cuantică și relativitatea generală

În relativitatea generală nu există un fundal spațiu-timp fix ca în mecanica newtoniană și relativitatea specială, iar geometria spațiului-timp este dinamică. Acesta este conceptul cel mai dificil de înțeles despre relativitatea generală și consecințele sale sunt foarte profunde și nu sunt pe deplin explorate, chiar și la nivel clasic. La unele niveluri, relativitatea generală poate fi considerată ca o teorie a relației în care singura informație relevantă fizic este relația dintre diferite evenimente din spațiu-timp.

Pe de altă parte, mecanica cuantică a depins de la începuturile sale de o structură nedinamică subiacentă. În această teorie este timpul dat și nu dinamica, ca în mecanica newtoniană clasică. În teoria cuantică a câmpului , ca și în teoria clasică a câmpului, spațiul-timp al lui Minkowski este fundalul fix al teoriei. Teoria corzilor s-a născut ca o generalizare a teoriei câmpului cuantic, unde în loc de particule punctiforme, obiectele asemănătoare șirurilor se propagă într-un fundal spațiu-timp fix. Deși teoria își are fundamentele în studiile de închidere a quarkului și nu a gravitației cuantice, s-a descoperit curând că spectrul șirului conține gravitonul și că condensarea anumitor moduri de vibrații ale corzilor este echivalentă cu o modificare a fundalului original. .

Teoria câmpului cuantic în spațiu-timp curbat a arătat că unele ipoteze fundamentale ale teoriei nu pot fi păstrate. În special, starea de vid depinde de tipul de mișcare al observatorului prin spațiu-timp ( efect Unruh ). Mai mult, conceptul de câmp este considerat mai fundamental decât conceptul de particulă, care se prezintă ca un mijloc util de descriere a interacțiunilor localizate. O teorie cuantică cu aceste caracteristici, care poate fi definită topologic , oferă un exemplu de teorie cuantică independentă de fond, dar fără grade locale de libertate și la nivel global doar în mai multe grade de libertate. Acest lucru este inadecvat pentru a descrie gravitația în dimensiuni 3 + 1, care chiar și în vid posedă grade de libertate locale în conformitate cu relativitatea generală [ fără sursă ] . Cu toate acestea, în dimensiunile 2 + 1, gravitația este o teorie a câmpului topologic și a fost cuantificată cu succes într-o varietate de moduri, inclusiv în rețelele de spin. Gravitația cuantică în buclă este o încercare în aceeași direcție, și anume formularea unei teorii cuantice independente de fond.

Există alte trei puncte de dezacord între mecanica cuantică și relativitatea generală.

  • Relativitatea generală acceptă conceptul de singularitate ca punct de prăbușire a spațiului-timp, în timp ce în mecanica cuantică acest concept nu are sens.
  • Nu este clar cum să se determine câmpul gravitațional al unei particule, deoarece, din cauza principiului incertitudinii Heisenberg al mecanicii cuantice, nu este posibil să se cunoască cu certitudine poziția sa în spațiu și viteza sa.
  • Există un contrast, dar nu o contradicție logică, între încălcarea inegalității lui Bell în mecanica cuantică, care implică o influență superluminală și viteza luminii ca limită de viteză în relativitate. Soluția primelor două puncte controversate poate proveni dintr-o mai bună înțelegere a relativității generale [1] .

Poziții istorice

În trecut, au existat două reacții la inconsistența aparentă a teoriei cuantice cu independența necesară de fond a relativității generale.

Primul a fost că interpretarea geometrică a relativității generale nu este fundamentală, ci pur și simplu o calitate neașteptată a unei teorii dependente de fond. Acest lucru este afirmat în mod explicit, de exemplu, în textul clasic al lui Steven Weinberg Gravitation and Cosmology . Opinia opusă este că independența de fond este fundamentală și că mecanica cuantică trebuie generalizată pentru a stabili unde nu există un timp „a priori” specificat. Acest punct de vedere geometric este expus în textul clasic Gravitation de Charles W. Misner , John Archibald Wheeler și Kip Thorne .

Cele două cărți, care exprimă puncte de vedere total opuse asupra semnificației gravitației, au fost publicate aproape simultan în anii 1970, când s-a ajuns la o fundătură, situație care l-a determinat pe Richard Feynman (el însuși autorul unor studii notabile despre gravitația cuantică) să scrie soția lui „îmi amintește să nu mai particip la conferințe despre gravitație” .

Până în prezent, s-au făcut progrese pe ambele fronturi, cu teoria corzilor pe de o parte și cu gravitația cuantică în buclă pe de altă parte.

Teorii

Există un număr mare de propuneri pentru teoriile cuantice ale gravitației:

Notă

Bibliografie

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 41303 · LCCN (EN) sh85109463 · GND (DE) 4124012-1 · BNF (FR) cb12262310n (data)
Cuantic Portal cuantic : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de cuantică