Teoria și fenomenologia defectelor spațiu-timp

Dacă spațiu-timpul este fundamental discret sau nu, este de o importanță centrală pentru dezvoltarea teoriei gravitației cuantice. Dacă descrierea fundamentală a spațiu-timpului este discretă, reprezentată în mod obișnuit în termeni de graf sau rețea, atunci netezimea aparentă a geometriei pe scale mari ar trebui să fie imperfectă – ar trebui să aibă defecte. Aici, analizăm un model pentru defectele spațiu-timp și rezumăm constrângerile asupra prevalenței acestor defecte care pot fi derivate din observație.

O teorie a gravitației cuantice este necesară pentru a descrie comportamentul cuantic al spațiului și a timpului și pentru a înțelege ce se întâmplă în câmpurile gravitaționale puternice, când curbura ajunge la regimul Planck. Găsirea acestei teorii lipsă a gravitației cuantice este una dintre marile probleme deschise în fizica teoretică de astăzi și se referă la cele mai fundamentale ingrediente ale teoriilor noastre existente: spațiu-timp și curbura sa, zona de lucru a fizicii.

Dar relativitatea generală se află încă în afara teoriilor câmpului cuantic ale modelului standard, ca o teorie clasică. Nu există până în prezent niciun mod cunoscut de cuplare consistentă a unei teorii clasice la o teorie cuantică, și nici nu știm cum să cuantizăm gravitația. În timp ce mai multe abordări teoretice sunt urmărite cu succes, acest succes a fost până acum exclusiv din perspectiva coerenței matematice, iar legătura dintre aceste abordări și realitate este încă neclară.

Problema de a rezolva tensiunea între teoria câmpului cuantic și relativitatea generală este mai mult decât o neliniște estetică. Această tensiune semnalează faptul că înțelegerea noastră despre natură este incompletă, dar oferă și o oportunitate de a ne îmbunătăți teoriile. Teoria lipsă a gravitației cuantice are potențialul de a revoluționa înțelegerea noastră a spațiului, a timpului și a materiei.

Progresul asupra teoriei gravitației cuantice a fost totuși lent. Problema a fost cunoscută de mai bine de 80 de ani. De atunci, am ajuns la o mulțime de idei despre natura problemei, dar marele progres s-a lăsat așteptat. Alături de dificultățile tehnice, motivul progresului lent este lipsa ghidării experimentale. Posibilității ca fenomenele gravitaționale cuantice să fie observabile nu i s-a acordat prea mult atenție până la sfârșitul anilor ’90, și chiar și acum conștientizarea că această posibilitate există este se pierde lent în mintea comunității. Cu toate acestea, fără a se ajunge la o legătură cu observarea, nicio teorie a gravitației cuantice nu poate fi vreodată acceptată ca o descriere validă a naturii.

În absența unei teorii pe deplin dezvoltate, această căutare a unor consecințe observabile se realizează prin dezvoltarea unor modele fenomenologice. Astfel de modele parametrizează proprietățile pe care teoria gravitației cuantice le-ar putea avea în scopul de a permite testarea experimentală sau cel puțin constrângerea prezenței acestor proprietăți. Aceasta, la rândul său, ghidează dezvoltarea teoriei. Observațiile generale ale modelelor fenomenologice pentru gravitația cuantică pot fi găsite în [1, 2].

În multe abordări ale gravitației cuantice – cum ar fi seturi cauzale, spume de spin, triunghiulări dinamice cauzale, gravitația cuantică în buclă și scenariile gravitaționale emergente și induse bazate pe analogii de materie condensată-spațiu-timp sunt fundamental discrete și geometria netedă a fundalului pe care o vedem apare ca o aproximare la energii joase și distanțe mari [3]. În acest caz, se așteaptă ca geometria aparent netedă a fundalului să fie imperfectă și să aibă defecte, doar pentru că perfecțiunea ar necesita explicații suplimentare.

Există mai multe modele propuse pentru defectele spațiu-timp. [4, 5]

Sursa: ”Theory and Phenomenology of Space-Time Defects”, de Sabine Hossenfelder, licența Creative Commons, în Experimental Tests of Quantum Gravity and Exotic Quantum Field Theory Effects, Advances in High Energy Physics · June 2014, DOI: 10.1155/2014/192712. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu