Gravitația cuantică: Teoria corzilor și Gravitația cuantică în bucle

Există o serie de teorii cu privire la gravitația cuantică. În prezent, nu există încă o teorie cuantică a gravitației completă și consistentă, iar modelele candidate trebuie încă să depășească probleme majore formale și conceptuale. Ele se confruntă, de asemenea, cu problema obișnuită că, până acum, nu există nicio modalitate de a pune predicțiile gravitației cuantice la testele experimentale, deși există speranță ca aceasta să se schimbe pe măsură ce vor apărea date viitoare din observațiile cosmologice și experimentele fizicii particulelor.

Teoria corzilor

 (Proiecția unei varietăți Calabi-Yau, una dintre căile de compactizare a dimensiunilor suplimentare impuse de teoria corzilor)

Un punct de plecare sugerat sunt teoriile obișnuite ale câmpurilor cuantice care reușesc să descrie celelalte trei forțe fundamentale fundamentale în contextul modelului standard al fizicii particulelor elementare. Cu toate acestea, în timp ce aceasta conduce la o teorie acceptabilă (cuantică) a gravitației la energii joase, gravitația se dovedește a fi mult mai problematică la energii mai mari. Pentru teoriile obișnuite ale câmpului, cum ar fi electrodinamica cuantică, o tehnică cunoscută ca renormalizare este o parte integrantă a derivării predicțiilor care iau în considerare contribuțiile energetice mai mari , dar gravitația se dovedește a fi nerenormalizabilă: la energii înalte, aplicarea rețetelor obișnuite ale teoriei câmpului cuantic produce modele care sunt lipsite de orice puterea predictivă.

O încercare de a depăși aceste limitări este aceea de a înlocui teoria obișnuită a câmpului cuantic, care se bazează pe conceptul clasic de particulă punctuală, cu o teorie cuantică a obiectelor extinse unidimensionale: teoria corzilor. La energiile atinse în experimentele curente, aceste corzi sunt de nedistins de particulele punctuale, dar, în mod crucial, diferite moduri de oscilație ale aceluiași tip de coardă fundamentală apar ca particulele cu sarcini diferite (electrice și altfel). În acest fel, teoria corzilor promite să fie o descriere unificată a tuturor particulelor și interacțiunilor . Teoria are succes prin faptul că un mod va corespunde întotdeauna unui graviton, particulă mesager a gravitației; cu toate acestea, prețul acestui succes sunt caracteristici neobișnuite, cum ar fi șase dimensiuni suplimentare ale spațiului, în plus față de cele trei obișnuite pentru spațiu și una pentru timp .

În ceea ce se numește a doua revoluție a supercorzilor, s-a presupus că atât teoria corzilor, cât și o unificare a relativității generale și supersimetriei, cunoscute sub denumirea de supergravitație , fac parte dintr-un model ipotetic cu unsprezece dimensiuni cunoscut sub numele de teoria-M, care ar constitui o teorie unic definită și consistentă a gravitației cuantice. După cum se înțelege în prezent, însă, teoria corzilor admite un număr foarte mare (10500 prin unele estimări) de viduri consistente, care cuprinde așa-numitul „peisaj de corzi”. Sortarea prin această mare familie de soluții rămâne o provocare majoră.

Gravitația cuantică în bucle

 (Rețea simplă de spin de tipul utilizat în gravitația cuantică în bucle.)

Gravitația cuantică în bucle ia în considerare abordarea relativității generale că spațiu-timpul este un câmp dinamic și, prin urmare, este un obiect cuantic. Cea de-a doua idee este că discretitudinea cuantică care determină comportamentul asemănător cu particulele altor teorii ale câmpului (de exemplu, fotonii câmpului electromagnetic) afectează și structura spațiului.

Rezultatul principal al gravitației cuantice în bucle este derivarea unei structuri granulare de spațiu la lungimea Planck. Acest lucru este derivat din următoarele considerații: În cazul electromagnetismului, operatorul cuantic reprezentând energia fiecărei frecvențe a câmpului are un spectru discret. Astfel, energia fiecărei frecvențe este cuantizată, iar cuantele sunt fotoni. În cazul gravitației, operatorii care reprezintă zona și volumul fiecărei zone de suprafață sau spațiu au de asemenea un spectru discret. Astfel, suprafața și volumul oricărei porțiuni din spațiu sunt, de asemenea, cuantificate, unde cuantele sunt canale elementare ale spațiului. Rezultă atunci că spațiul are o structură elementară granulară cuantică la scara Planck, care stopează infiniturile ultraviolete ale teoriei câmpului cuantic.

Starea cuantică a spațiu-timpului este descrisă în teorie prin intermediul unei structuri matematice denumită Rețele de Spin. Rețelele de spin au fost inițial introduse în 1964 de către Roger Penrose în formă abstractă, ca o modalitate de a crea un model intrinsec al mecanicii cuantice a spatiului , iar mai târziu s-a arătat de Carlo Rovelli și Lee Smolin că derivă în mod natural dintr-o cuantizare neperturbantă a relativității generale. Rețelele de spin nu reprezintă stări cuantice ale unui câmp în spațiu: acestea reprezintă direct stările cuantice ale spațiu-timpului.

Teoria se bazează pe reformularea relativității generale cunoscută sub numele de variabilele Ashtekar, care reprezintă gravitația geometrică folosind analogii matematice ale câmpurilor electrice și magnetice. În teoria cuantică, spațiul este reprezentat de o structură de rețea numită rețea de spin, care evoluează în timp în pași discreți

Dinamica teoriei este construită astăzi în mai multe variante. O versiune începe cu cantizarea canonică a relativității generale. Analogul ecuației Schrödinger este o ecuație Wheeler-DeWitt, care poate fi definită în cadrul teoriei . În formularea covariantă sau a spumei de spin a teoriei, dinamica cuantică este obținută printr-o sumă a versiunilor discrete ale spațiu-timpului numite spume de spin. Acestea reprezintă istoriile rețelelor de spin.

Alte abordări

Există o serie de alte abordări ale gravitației cuantice. Abordările diferă în funcție de caracteristicile relativității generale și ale teoriei cuantice acceptate neschimbate și ale căror caracteristici sunt modificate. Exemplele includ: Siguranța asimptotică în gravitația cuantică, Gravitația cuantică euclideană, Triangularea dinamică cauzală , Sisteme cauzale de fermioni, Abordarea căii integrale covariante a lui Feynman, Teoria câmpului de grup, Ecuația Wheeler-DeWitt, Geometrodinamica, Gravitația Hořava-Lifshitz, Acțiunea MacDowell-Mansouri, Geometria non-comutativă, Modele bazate pe integritate pe căi integrale ale cosmologiei cuantice , Calcul Regge, Relativitatea scalară, Dinamica formelor, Rețele de corzi și grafice cuantice, Teoria vacuumului superfluidic a.k.a., teoria vacuumului BEC, Supergravitația, Teoria Twistor , Gravitația cuantică canonică, Teoria E8, Teoria holonomiei cuantice .

Teste experimentale

După cum s-a subliniat mai sus, efectele gravitaționale cuantice sunt extrem de slabe și, prin urmare, dificil de testat. Din acest motiv, posibilitatea testării experimentale a gravitației cuantice nu a primit prea multă atenție înainte de sfârșitul anilor 1990. Cu toate acestea, în ultimul deceniu, fizicienii și-au dat seama că dovezile pentru efectele gravitaționale cuantice pot orienta dezvoltarea teoriei. Deoarece dezvoltarea teoretică a fost lentă, domeniul gravitației fenomenologice cuantice, care studiază posibilitatea testelor experimentale, a obținut o atenție sporită.

Cele mai vizate posibilități pentru fenomenologia gravitației cuantice includ încălcările invarianței Lorentz, imprimările efectelor gravitaționale cuantice în fundalul cosmic de microunde (în special polarizarea sa) și decoerența indusă de fluctuațiile spumei spațio-temporale.

Experimentul BICEP2 a detectat ceea ce inițial a fost considerat a fi polarizarea primordială a modului B cauzată de undele gravitaționale din universul timpuriu. Dacă semnalul ar fi fost de fapt originar, ar fi putut fi o indicație a efectelor cuantice ale gravitației, dar a apărut imediat că polarizarea se datorează interferențelor prafului interstelar .