Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Forţe fundamentale » Gravitația » Gravitația cuantică în bucle

Gravitația cuantică în bucle

Rețea simplă de spin de tipul utilizat în gravitația cuantică în bucle
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Spin_network.svg

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

Gravitația cuantică în bucle (GCB) este o teorie a gravitatiei cuantice, care combină mecanica cuantica și relativitatea generală. Scopul său este de a unifica gravitatea într-un cadru teoretic comun cu celelalte trei forțe fundamentale ale naturii, începând cu relativitatea și adăugând trăsături cuantice. Ea concurează cu teoria corzilor care începe cu teoria câmpului cuantic și adaugă gravitația.

Din punctul de vedere al teoriei lui Albert Einstein, toate încercările de a trata gravitația ca o altă forță cuantică egală în importanță electromagnetismului și forțelor nucleare au eșuat. Potrivit lui Einstein, gravitația nu este o forță – este o proprietate a spațiu-timpului în sine. GCB este o încercare de a dezvolta o teorie cuantică a gravitației bazată direct pe formula geometrică a lui Einstein.

Pentru a face acest lucru, în teoria GCB spațiul și timpul sunt cuantizate, în mod analog cu modul în care cantități precum energia și impulsul sunt cuantizate în mecanica cuantică. Teoria oferă o imagine fizică a spațiu-timpului în care spațiul și timpul sunt granulare și discrete în mod direct datorită cuantizării la fel ca fotonii în teoria cuantică a electromagnetismului și a nivelurilor discrete de energie ale atomilor. Distanța există cu un minim.

Structura spațiului preferă o țesătură sau o rețea extrem de fină țesută din bucle finite. Aceste rețele de bucle sunt numite rețele de spin. Evoluția unei rețele de spin sau spumă de spin are o scară de ordinul unei lungimi Planck, de aproximativ 10-35 de metri, și nu există scale mai mici. În consecință, nu doar materia, ci spațiul însuși, preferă o structură atomică.

Domeniile vaste de cercetare dezvoltate în mai multe direcții implică aproximativ 30 de grupuri de cercetare din întreaga lume.  Toți împărtășesc presupunerile fizice de bază și descrierea matematică a spațiului cuantic. Cercetarea urmărește două direcții: GCB canonică mai tradițională, și GCB covariantică, numită teoria spumei de spin.

Consecințele fizice ale teoriei se desfășoară în mai multe direcții. Cel mai bine dezvoltat se aplică cosmologiei, numită cosmologia cuantică a bucla (CCB), studiul universului timpuriu și fizica Big Bang-ului. Consecința sa cea mai mare vede evoluția universului care continuă dincolo de Big Bang-ul numit Big Bounce.

Istorie

În 1986, Abhay Ashtekar a reformulat relativitatea generală a lui Einstein într-un limbaj mai apropiat de cel al restului fizicii fundamentale. La scurt timp după aceea, Ted Jacobson și Lee Smolin și-au dat seama că ecuația formală a gravitației cuantice, numită ecuația Wheeler-DeWitt, a recunoscut soluții etichetate de bucle atunci când au fost rescrise în noile variabile Ashtekar. Carlo Rovelli și Lee Smolin au definit o teorie cuantică a gravitației nonperturbatoare și independentă de fundal în ceea ce privește aceste soluții de buclă. Jorge Pullin și Jerzy Lewandowski au înțeles că intersecțiile buclelor sunt esențiale pentru coerența teoriei, iar teoria trebuie formulată în termeni de bucle intersectate sau grafice.

În 1994, Rovelli și Smolin au arătat că operatorii cuantici ai teoriei asociate ariei și volumului au un spectru discret. Adică, geometria este cuantizată. Acest rezultat definește o bază explicită a stărilor de geometrie cuantică, care s-au dovedit a fi etichetate de rețelele de spin ale lui Roger Penrose, care sunt grafice etichetate prin spini.

Versiunea canonică a dinamicii a fost pusă pe un teren ferm de Thomas Thiemann, care a definit un operator hamiltonian fără anomalii, arătând existența unei teorii matematice consecvente independentă de fundal. Covarianța sau versiunea dinamică a spumei de spin a evoluat în decursul mai multor decenii și a fost cristalizată în 2008, din activitatea comună a grupurilor de cercetare din Franța, Canada, Marea Britanie, Polonia și Germania, care au condus la definirea unei familii de amplitudini de tranziție, care în limita clasică, se poate dovedi a fi legată de o familie de trunchieri ale relativității generale [2]. Finitețea acestor amplitudini a fost dovedită în 2011. [3] [4] Ea necesită existența unei constante cosmologice pozitive, și aceasta este în concordanță cu accelerarea observată în expansiunea Universului.

Covarianța generală și independență de fundal

În fizica teoretică, covarianța generală este invarianța formei legilor fizice sub transformări arbitrare de coordonate diferențiabile. Ideea esențială este că coordonatele sunt doar artificii folosite în descrierea naturii și, prin urmare, nu ar trebui să joace un rol în formularea legilor fizice fundamentale. O cerință mai importantă este principiul relativității generale care afirmă că legile fizicii iau aceeași formă în toate sistemele de referință. Aceasta este o generalizare a principiului relativității speciale care afirmă că legile fizicii iau aceeași formă în toate cadrele inerțiale.

În matematică, difeomorfismul este un izomorfism în categoria varietăților netede. Este o funcție inversibilă care cartografiază o varietate diferențiată la alta, astfel încât atât funcția, cât și inversul ei sunt netede. Acestea sunt transformările definitorii de simetrie ale relativității generale, deoarece teoria este formulată numai în termeni de varietate diferențiabilă.

În relativitatea generală, covarianța generală este strâns legată de „invarianța difeomorfismului”. Această simetrie este una dintre trăsăturile definitorii ale teoriei. Cu toate acestea, este o neînțelegere comună că „invarianța difeomorfismului” se referă la invarianța predicțiilor fizice ale unei teorii în transformări arbitrare de coordonate; acest lucru este neadevărat și, de fapt, fiecare teorie fizică este invariabilă sub transformări de coordonate în acest fel. Difeomorfismele, după cum le definesc matematicienii, corespund unui lucru mult mai radical; în mod intuitiv, modul în care pot fi avute în vedere este acela de a trage simultan toate câmpurile fizice (inclusiv câmpul gravitațional) peste diversele varietăți diferențiabile în timp ce se află în același sistem de coordonate. Difeomorfismele sunt adevăratele transformări de simetrie ale relativității generale și rezultă din afirmația că formularea teoriei se bazează pe o varietate liberă diferențiabilă, dar nu pe orice geometrie anterioară – teoria este independentă de fundal (aceasta este o schimbare profundă, deoarece toate teoriile fizice înainte de relativitatea generală aveau ca parte a formulării lor o geometrie anterioară). Ceea ce se păstrează sub aceste transformări sunt coincidențele dintre valorile pe care câmpul gravitațional le ia la un astfel de „loc” și valorile pe care le iau câmpurile de materie acolo. Din aceste relații se poate forma o noțiune de materie ca fiind localizată în raport cu câmpul gravitațional sau invers. Asta a descoperit Einstein: că entitățile fizice sunt situate doar una față de cealaltă și nu în raport cu varietatea spațiu-timp. După cum spune Carlo Rovelli: „Nu mai există câmpuri în spațiu-timp: doar câmpuri în câmpuri”. [5] Acesta este adevăratul sens al cuvântului „Scena dispare și devine unul dintre actori”; spațiul-timp ca un „container” în care are loc fizica nu are niciun înțeles fizic obiectiv și în schimb interacțiunea gravitațională este reprezentată ca fiind doar unul dintre câmpurile care formează lumea. Aceasta este cunoscută drept interpretarea relaționistă a spațiului-timp. Realizarea de către Einstein a faptului că relativitatea generală ar trebui interpretată în acest fel este originea remarcii sale „Dincolo de așteptările mele cele mai sălbatice”.

În GCB, acest aspect al relativității generale este luat în serios și această simetrie este păstrată prin faptul că stările fizice rămân invariabile sub generatoarele de difeomorfisme. Interpretarea acestei condiții este bine înțeleasă pentru difeomorfisme pur spațiale. Cu toate acestea, înțelegerea difeomorfismelor care implică timpul (constrângerea hamiltoniană) este mai subtilă deoarece este legată de dinamică și așa-numita „problemă a timpului” în relativitatea generală [6]. Un cadru de calcul general acceptat pentru a explica această constrângere nu a fost încă găsit. [7] [8] Un candidat plauzibil pentru constrângerea hamiltoniană cuantică este operatorul introdus de Thiemann [9].

GCB este în mod oficial independent de fundal. Ecuațiile GCB nu sunt încorporate în sau depind de spațiu și timp (cu excepția topologiei sale invariabile). În schimb, se așteaptă ca acestea să genereze spațiu și timp la distanțe mari, comparativ cu lungimea Planck. Problema independenței de fond în GCB are încă unele subtilități nerezolvate. De exemplu, unele derivații necesită o alegere fixă ​​a topologiei, în timp ce orice teorie cuantică a gravitației ar trebui să includă schimbarea topologiei ca proces dinamic.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *