» » » » » » » Gravitația cuantică

Gravitația cuantică

Gravitația cuantică (GC) este un domeniu al fizicii teoretice care încearcă să descrie gravitația în conformitate cu principiile mecanicii cuantice și unde efectele cuantice nu pot fi ignorate, cum ar fi obiectele astrofizice compacte apropiate, unde efectele gravitației sunt puternice.

Înțelegerea actuală a gravitației se bazează pe teoria relativității generale a lui Albert Einstein, care este formulată în cadrul fizicii clasice. Pe de altă parte, celelalte trei forțe fundamentale ale fizicii sunt descrise în cadrul mecanicii cuantice și a teoriei câmpului cuantic, formalisme radical diferite pentru descrierea fenomenelor fizice. Se argumentează uneori că o descriere mecanică cuantică a gravitației este necesară pe motiv că nu se poate cupla în mod consecvent un sistem clasic cu unul cuantic. Cu toate acestea, Robert Wald a părut să respingă acest lucru oferind o construcție explicită a unei teorii semiclasice consecvente.

În timp ce o teorie cuantică a gravitației poate fi necesară pentru a reconcilia relativitatea generală cu principiile mecanicii cuantice, apar dificultăți atunci când se încearcă aplicarea practicilor obișnuite ale teoriei câmpului cuantic la forța gravitației prin intermediul bosonilor graviton. Problema este că teoria pe care o obținem în acest fel nu este renormalizabilă și, prin urmare, nu poate fi folosită pentru a face predicții fizice semnificative. Drept urmare, teoreticienii au încercat abordări mai radicale ale problemei gravitației cuantice, abordările cele mai populare fiind teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă.

Strict vorbind, scopul gravitației cuantice este doar acela de a descrie comportamentul cuantic al câmpului gravitațional, și nu ar trebui să fie confundat cu obiectivul de a unifica toate interacțiunile fundamentale într-un singur cadru matematic. Deși orice îmbunătățire substanțială a înțelegerii actuale a gravitației ar contribui la continuarea eforturilor de unificare, studiul gravitației cuantice este un domeniu în sine, cu diverse ramuri având abordări diferite de unificare. Deși unele teorii cu privire la gravitația cuantică, cum ar fi teoria corzilor, încearcă să unifice gravitația cu celelalte forțe fundamentale, altele, cum ar fi gravitația cuantică în buclă, nu fac o astfel de încercare; în schimb, ele depun eforturi pentru a cuantifica câmpul gravitațional în timp ce acesta este păstrat separat de celelalte forțe. O teorie a gravitației cuantice, care este de asemenea o mare unificare a tuturor interacțiunilor cunoscute, este uneori menționată ca Teoria Întregului (TI).

Una dintre dificultățile gravitației cuantice este că se așteaptă ca efectele gravitaționale cuantice să devină vizibile în apropierea scalei Planck, o scară mult mai mică în distanță (echivalent, cu mult mai mare în energie) decât cele disponibile în prezent la acceleratoarele de particule de mare putere. Drept urmare, gravitația cuantică este o întreprindere în principal teoretică, deși există speculații despre modul în care efectele gravitaționale cuantice ar putea fi observate în experimentele existente.

Prezentare generală

Problemă nerezolvată în fizică: Cum poate fi combinată teoria mecanicii cuantice cu teoria relativității generale/forța gravitațională și să rămână corectă la scalele de lungime microscopică? Ce predicții verificabile face orice teorie a gravitației cuantice?

Gravitația cuantică (Diagrama arată unde se găsește gravitația cuantică în ierarhia teoriilor fizicii)

O mare parte din dificultatea de a interfera cu aceste teorii la toate scările de energie provine din diferitele ipoteze pe care aceste teorii le fac cu privire la modul în care funcționează universul. Teoria câmpului cuantic, dacă este concepută ca o teorie a particulelor, depinde de câmpurile de particule înglobate în spațiul-timp plat al relativității speciale. Modelele de relativitate generală gravitează ca o curbură în spațiu-timp care se schimbă cu mișcarea masei gravitaționale. Din punct de vedere istoric, modul cel mai evident de combinare a celor două (cum ar fi tratarea gravitației ca pur și simplu un alt câmp de particule) a ajuns rapid în ceea ce se numește problema renormalizării. În înțelegerea veche a renormalizării, particulele de gravitație s-ar atrage unele pe altele și ar adăuga toate rezultatele interacțiunilor în numeroase valori infinite care nu pot fi anulate cu ușurință din punct de vedere matematic pentru a obține rezultate sensibile, finite. Acest lucru este în contrast cu electrodinamica cuantică unde, dat fiind faptul că seriile încă nu converg, interacțiunile uneori evaluează în rezultate infinite, dar acestea sunt destul de puține în număr pentru a fi amovibile prin renormalizare. O altă posibilitate este să se concentreze mai degrabă pe câmpuri decât pe particule, care sunt doar o modalitate de a caracteriza anumite câmpuri în spațiu-timpuri foarte speciale. Acest lucru rezolvă îngrijorările legate de coerență, dar nu pare să ducă la o versiune cuantificată a teoriei generale generale a relativității.

Teoriile câmpului efectiv

Gravitația cuantică poate fi tratată ca o teorie efectivă a câmpului. Teoriile efective ale câmpului cuantic vin cu o limitare de energie înaltă, dincolo de care nu ne așteptăm ca teoria să ofere o descriere bună a naturii. „Infinitățile” devin apoi cantități mari dar finite în funcție de această scală de limitare finită, și corespund proceselor care implică energii foarte mari în apropierea limitării fundamentale. Aceste cantități pot fi apoi absorbite într-o colecție infinită de constante de cuplare, și la energii mult sub limita fundamentală a teoriei, la orice precizie dorită; doar un număr finit dintre aceste constante de cuplare trebuie măsurate pentru a face predicții legitime mecanico-cuantice. Aceeași logică funcționează la fel de bine pentru teoria extrem de reușită a pionilor cu energie redusă ca și pentru gravitația cuantică. Într-adevăr, primele corecții mecanico-cuantice ale împrăștierii gravitonului și legea gravitației lui Newton au fost calculate în mod explicit (deși sunt atât de infinitezimal de mici încât nu putem măsura niciodată). De fapt, gravitația este în multe privințe o teorie a câmpului cuantic mult mai bună decât modelul standard, deoarece pare să fie valabilă peste tot până la limitarea ei la scara Planck.

În timp ce se confirmă că mecanica cuantică și gravitația sunt într-adevăr consecvente la energii rezonabile, este clar că aproape sau deasupra limitei fundamentale a teoriei cuantice efective a gravitației (limitarea se presupune, în general, a fi de ordinul scării Planck) va fi necesar un nou model al naturii. Mai exact, problema combinării mecanicii cuantice și a gravitației devine o problemă numai la energii foarte mari și poate necesita un model complet nou.

Teoria gravitației cuantice pentru cele mai mari scale de energie

Abordarea generală a derivării unei teorii a gravitației cuantice care este valabilă chiar și în cazul celor mai mari scale de energie este aceea de a presupune că o astfel de teorie va fi simplă și elegantă și, în consecință, să studieze simetrii și alte indicii oferite de teoriile curente care ar putea sugera modalități de combinare într-o teorie cuprinzătoare și unificată. O problemă cu această abordare este că nu se știe dacă gravitația cuantică se va conforma într-adevăr unei teorii simple și elegante, deoarece ar trebui să rezolve enigmele legate de dualitate ale relativității speciale în ceea ce privește uniformitatea accelerației și gravitației și relativitatea generală cu privire la curbura spațiu-timp.

O astfel de teorie este necesară pentru a înțelege problemele care implică o combinație de energie foarte mare și dimensiuni foarte mici ale spațiului, cum ar fi comportamentul găurilor negre și originea universului.

Lasă un răspuns

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