Gravidade quântica - Quantum gravity

Gravidade quântica ( QG ) é um campo da física teórica que busca descrever a gravidade de acordo com os princípios da mecânica quântica , e onde os efeitos quânticos não podem ser ignorados, como nas proximidades de buracos negros ou objetos astrofísicos compactos semelhantes onde os efeitos da gravidade são fortes, como estrelas de nêutrons .

Três das quatro forças fundamentais da física são descritas dentro da estrutura da mecânica quântica e da teoria quântica de campos . O entendimento atual da quarta força, a gravidade , é baseado no Albert Einstein 's teoria geral da relatividade , que é formulado dentro do quadro totalmente diferente da física clássica . No entanto, essa descrição está incompleta: descrevendo o campo gravitacional de um buraco negro na teoria geral da relatividade, as quantidades físicas, como a curvatura do espaço - tempo, divergem no centro do buraco negro.

Isso sinaliza o colapso da teoria geral da relatividade e a necessidade de uma teoria que vá além da relatividade geral para o quantum. Em distâncias muito próximas do centro do buraco negro (mais perto do que o comprimento de Planck ), espera-se que as flutuações quânticas do espaço-tempo desempenhem um papel importante. Para descrever esses efeitos quânticos, é necessária uma teoria da gravidade quântica. Tal teoria deve permitir que a descrição seja estendida para mais perto do centro e pode até permitir uma compreensão da física no centro de um buraco negro. Em bases mais formais, pode-se argumentar que um sistema clássico não pode ser consistentemente acoplado a um quântico.

O campo da gravidade quântica está se desenvolvendo ativamente e os teóricos estão explorando uma variedade de abordagens para o problema da gravidade quântica, sendo as mais populares a teoria M e a gravidade quântica em loop . Todas essas abordagens visam descrever o comportamento quântico do campo gravitacional . Isso não inclui necessariamente a unificação de todas as interações fundamentais em uma única estrutura matemática. No entanto, muitas abordagens da gravidade quântica, como a teoria das cordas, tentam desenvolver uma estrutura que descreve todas as forças fundamentais. Essas teorias são freqüentemente chamadas de teoria de tudo . Outros, como a gravidade quântica em loop, não fazem essa tentativa; em vez disso, eles fazem um esforço para quantizar o campo gravitacional enquanto ele é mantido separado das outras forças.

Uma das dificuldades de formular uma teoria da gravitação quântica é que os efeitos gravitacionais quânticos só aparecem em escalas de comprimento próximas à escala de Planck , em torno de 10-35 metros, uma escala muito menor e, portanto, acessível apenas com energias muito mais altas do que as atualmente disponíveis em aceleradores de partículas de alta energia . Portanto, os físicos carecem de dados experimentais que possam distinguir entre as teorias concorrentes que foram propostas e, portanto, abordagens de experimentos mentais são sugeridas como uma ferramenta de teste para essas teorias.

Visão geral

Problema não resolvido na física :

Como a teoria da mecânica quântica pode ser fundida com a teoria da relatividade geral / força gravitacional e permanecer correta em escalas microscópicas de comprimento? Que previsões verificáveis ​​qualquer teoria da gravidade quântica faz?

Diagrama mostrando o lugar da gravidade quântica na hierarquia das teorias da física

Grande parte da dificuldade em combinar essas teorias em todas as escalas de energia vem das diferentes suposições que essas teorias fazem sobre como o universo funciona. A relatividade geral modela a gravidade como curvatura do espaço - tempo : no slogan de John Archibald Wheeler , "O espaço-tempo diz à matéria como se mover; a matéria diz ao espaço-tempo como se curvar." Por outro lado, a teoria quântica de campos é tipicamente formulada no espaço-tempo plano usado na relatividade especial . Nenhuma teoria ainda se mostrou bem-sucedida na descrição da situação geral em que a dinâmica da matéria, modelada com a mecânica quântica, afeta a curvatura do espaço-tempo. Se alguém tentar tratar a gravidade simplesmente como outro campo quântico, a teoria resultante não é renormalizável . Mesmo no caso mais simples, onde a curvatura do espaço-tempo é fixada a priori, o desenvolvimento da teoria quântica de campos torna-se mais desafiador matematicamente, e muitas ideias que os físicos usam na teoria quântica de campos no espaço-tempo plano não são mais aplicáveis.

É amplamente esperado que uma teoria da gravidade quântica nos permitiria entender problemas de energia muito alta e dimensões muito pequenas do espaço, como o comportamento dos buracos negros e a origem do universo .

Mecânica quântica e relatividade geral

Gravity Probe B (GP-B) mediu a curvatura do espaço-tempo perto da Terra para testar modelos relacionados na aplicação da teoria geral da relatividade de Einstein.

Graviton

A observação de que todas as forças fundamentais, exceto a gravidade, têm uma ou mais partículas mensageiras conhecidas leva os pesquisadores a acreditar que pelo menos uma deve existir para a gravidade. Essa partícula hipotética é conhecida como gráviton . Essas partículas atuam como uma partícula de força semelhante ao fóton da interação eletromagnética. Sob suposições moderadas, a estrutura da relatividade geral exige que eles sigam a descrição da mecânica quântica de partículas teóricas sem massa de spin 2 em interação. Muitas das noções aceitas de uma teoria unificada da física desde os anos 1970 pressupõem, e até certo ponto dependem, da existência do gráviton. O teorema de Weinberg-Witten impõe algumas restrições às teorias nas quais o gráviton é uma partícula composta . Embora os grávitons sejam um passo teórico importante na descrição da gravidade pela mecânica quântica, eles geralmente são considerados indetectáveis ​​porque interagem muito fracamente.

Não renormalizabilidade da gravidade

A relatividade geral, como o eletromagnetismo , é uma teoria de campo clássica . Pode-se esperar que, como no eletromagnetismo, a força gravitacional também tenha uma teoria quântica de campo correspondente .

No entanto, a gravidade é perturbativamente não renormalizável . Para que uma teoria quântica de campos seja bem definida de acordo com esse entendimento do assunto, ela deve ser assintoticamente livre ou assintoticamente segura . A teoria deve ser caracterizada por uma escolha de parâmetros finitos , que poderiam, em princípio, ser definidos por experimento. Por exemplo, na eletrodinâmica quântica, esses parâmetros são a carga e a massa do elétron, medida em uma escala de energia específica.

Por outro lado, na quantização da gravidade, existem, na teoria das perturbações, infinitos parâmetros independentes (coeficientes de contra-termo) necessários para definir a teoria. Para uma determinada escolha desses parâmetros, pode-se dar sentido à teoria, mas uma vez que é impossível conduzir experimentos infinitos para fixar os valores de cada parâmetro, argumentou-se que não se tem, na teoria da perturbação, um corpo físico significativo teoria. Em baixas energias, a lógica do grupo de renormalização nos diz que, apesar das escolhas desconhecidas desses infinitos parâmetros, a gravidade quântica se reduzirá à usual teoria da relatividade geral de Einstein. Por outro lado, se pudéssemos sondar energias muito altas onde os efeitos quânticos assumem o controle, então cada um dos infinitos parâmetros desconhecidos começaria a importar, e não poderíamos fazer nenhuma previsão.

É concebível que, na teoria correta da gravidade quântica, os infinitos parâmetros desconhecidos se reduzam a um número finito que pode então ser medido. Uma possibilidade é que normal, teoria de perturbação não é um guia confiável para o renormalizabilidade da teoria, e que há realmente é um ponto fixo UV para a gravidade. Uma vez que esta é uma questão de teoria quântica de campos não perturbativa , encontrar uma resposta confiável é difícil, perseguida no programa de segurança assintótica . Outra possibilidade é que existam novos princípios de simetria não descobertos que restringem os parâmetros e os reduzem a um conjunto finito. Esse é o caminho percorrido pela teoria das cordas , em que todas as excitações da corda se manifestam essencialmente como novas simetrias.

Gravidade quântica como uma teoria de campo eficaz

Em uma teoria de campo efetiva , nem todos, exceto os primeiros do conjunto infinito de parâmetros em uma teoria não renormalizável, são suprimidos por enormes escalas de energia e, portanto, podem ser negligenciados ao calcular efeitos de baixa energia. Assim, pelo menos no regime de baixa energia, o modelo é uma teoria quântica de campo preditiva. Além disso, muitos teóricos argumentam que o Modelo Padrão deve ser considerado como uma teoria de campo eficaz, com interações "não renormalizáveis" suprimidas por grandes escalas de energia e cujos efeitos, conseqüentemente, não foram observados experimentalmente.

Ao tratar a relatividade geral como uma teoria de campo eficaz , pode-se realmente fazer previsões legítimas para a gravidade quântica, pelo menos para fenômenos de baixa energia. Um exemplo é o cálculo bem conhecido da minúscula correção da mecânica quântica de primeira ordem para o potencial gravitacional newtoniano clássico entre duas massas.

Dependência de fundo do espaço-tempo

Uma lição fundamental da relatividade geral é que não existe um fundo de espaço-tempo fixo, como encontrado na mecânica newtoniana e na relatividade especial ; a geometria do espaço-tempo é dinâmica. Embora simples de entender em princípio, esta é uma ideia complexa de entender sobre a relatividade geral, e suas consequências são profundas e não totalmente exploradas, mesmo no nível clássico. Até certo ponto, a relatividade geral pode ser vista como uma teoria relacional , na qual a única informação fisicamente relevante é a relação entre diferentes eventos no espaço-tempo.

Por outro lado, a mecânica quântica depende, desde o seu início, de uma estrutura de fundo fixa (não dinâmica). No caso da mecânica quântica, o tempo é dado e não dinâmico, como na mecânica clássica newtoniana. Na teoria quântica de campo relativística, assim como na teoria de campo clássica, o espaço-tempo de Minkowski é o pano de fundo fixo da teoria.

Teoria das cordas

Interação no mundo subatômico: linhas de mundo de partículas pontuais no modelo padrão ou uma folha de mundo varrida por cordas fechadas na teoria das cordas

A teoria das cordas pode ser vista como uma generalização da teoria quântica de campos onde, em vez de partículas pontuais, objetos semelhantes a cordas se propagam em um fundo de espaço-tempo fixo, embora as interações entre cordas fechadas dêem origem ao espaço-tempo de uma forma dinâmica. Embora a teoria das cordas tenha suas origens no estudo do confinamento do quark e não da gravidade quântica, logo foi descoberto que o espectro das cordas contém o gráviton , e que a "condensação" de certos modos de vibração das cordas é equivalente a uma modificação do fundo original . Nesse sentido, a teoria de perturbação de cordas exibe exatamente as características que se esperaria de uma teoria de perturbação que pode exibir uma forte dependência de assintóticos (como visto, por exemplo, na correspondência AdS / CFT ), que é uma forma fraca de dependência de fundo .

Teorias independentes de fundo

A gravidade quântica de loop é fruto de um esforço para formular uma teoria quântica independente de fundo .

A teoria quântica de campo topológica forneceu um exemplo de teoria quântica independente de fundo, mas sem graus locais de liberdade e apenas finitos muitos graus de liberdade globalmente. Isso é inadequado para descrever a gravidade em 3 + 1 dimensões, que tem graus de liberdade locais de acordo com a relatividade geral. Em 2 + 1 dimensões, no entanto, a gravidade é uma teoria de campo topológica e foi quantizada com sucesso de várias maneiras diferentes, incluindo redes de spin .

Gravidade quântica semi-clássica

A teoria quântica de campos em fundos curvos (não Minkowskianos), embora não seja uma teoria quântica completa da gravidade, mostrou muitos resultados iniciais promissores. De forma análoga ao desenvolvimento da eletrodinâmica quântica no início do século 20 (quando os físicos consideravam a mecânica quântica em campos eletromagnéticos clássicos), a consideração da teoria quântica de campos em um fundo curvo levou a previsões como a radiação de buraco negro.

Fenômenos como o efeito Unruh , no qual partículas existem em certos quadros de aceleração, mas não em estacionários, não apresentam nenhuma dificuldade quando considerados em um fundo curvo (o efeito Unruh ocorre mesmo em fundos Minkowskianos planos). O estado de vácuo é o estado com menos energia (e pode ou não conter partículas).

Problema de tempo

Uma dificuldade conceitual em combinar a mecânica quântica com a relatividade geral surge do papel contrastante do tempo dentro dessas duas estruturas. Nas teorias quânticas, o tempo atua como um pano de fundo independente por meio do qual os estados evoluem, com o operador hamiltoniano atuando como o gerador de traduções infinitesimais dos estados quânticos ao longo do tempo. Em contraste, a relatividade geral trata o tempo como uma variável dinâmica que se relaciona diretamente com a matéria e, além disso, requer que a restrição hamiltoniana desapareça. Como essa variabilidade de tempo foi observada macroscopicamente , ela remove qualquer possibilidade de empregar uma noção fixa de tempo, semelhante à concepção de tempo na teoria quântica, no nível macroscópico.

Teorias de candidatos

Existem várias teorias da gravidade quântica propostas. Atualmente, ainda não existe uma teoria quântica da gravidade completa e consistente, e os modelos candidatos ainda precisam superar os principais problemas formais e conceituais. Eles também enfrentam o problema comum de que, por enquanto, não há como colocar as previsões da gravidade quântica em testes experimentais, embora haja esperança de que isso mude à medida que dados futuros de observações cosmológicas e experimentos de física de partículas se tornem disponíveis.

Teoria das cordas

Projeção de uma variedade de Calabi – Yau , uma das formas de compactar as dimensões extras postuladas pela teoria das cordas

A ideia central da teoria das cordas é substituir o conceito clássico de uma partícula pontual na teoria quântica de campos por uma teoria quântica de objetos estendidos unidimensionais: a teoria das cordas . Nas energias alcançadas em experimentos atuais, essas cordas são indistinguíveis de partículas pontuais, mas, crucialmente, diferentes modos de oscilação de um e o mesmo tipo de corda fundamental aparecem como partículas com cargas ( elétricas e outras) diferentes . Dessa forma, a teoria das cordas promete ser uma descrição unificada de todas as partículas e interações. A teoria é bem-sucedida no sentido de que um modo sempre corresponderá a um gráviton , a partícula mensageira da gravidade; no entanto, o preço desse sucesso são características incomuns, como seis dimensões extras de espaço, além das três habituais para espaço e uma para tempo.

No que é chamado de segunda revolução das supercordas , foi conjecturado que a teoria das cordas e uma unificação da relatividade geral e supersimetria conhecida como supergravidade fazem parte de um modelo hipotético de onze dimensões conhecido como teoria M , que constituiria um modelo unicamente definido e consistente teoria da gravidade quântica. No entanto, como atualmente entendida, a teoria das cordas admite um número muito grande (10 500 segundo algumas estimativas) de vácuo consistente, compreendendo a chamada " paisagem das cordas ". Classificar essa grande família de soluções continua sendo um grande desafio.

Gravidade quântica de loop

Rede de spin simples do tipo usado na gravidade quântica em loop

A gravidade quântica em loop considera seriamente o insight da relatividade geral de que o espaço-tempo é um campo dinâmico e, portanto, um objeto quântico. Sua segunda ideia é que a discrição quântica que determina o comportamento semelhante a uma partícula de outras teorias de campo (por exemplo, os fótons do campo eletromagnético) também afeta a estrutura do espaço.

O principal resultado da gravidade quântica em loop é a derivação de uma estrutura granular do espaço no comprimento de Planck. Isso é derivado das seguintes considerações: No caso do eletromagnetismo, o operador quântico que representa a energia de cada frequência do campo tem um espectro discreto. Assim, a energia de cada frequência é quantizada e os quanta são os fótons. No caso da gravidade, os operadores que representam a área e o volume de cada superfície ou região espacial também possuem espectros discretos. Assim, a área e o volume de qualquer porção do espaço também são quantizados, onde os quanta são quanta elementares do espaço. Segue-se, então, que o espaço-tempo tem uma estrutura granular quântica elementar na escala de Planck, que corta os infinitos ultravioleta da teoria quântica de campos.

O estado quântico do espaço-tempo é descrito na teoria por meio de uma estrutura matemática chamada redes de spin . Redes de spin foram inicialmente introduzidas por Roger Penrose em forma abstrata, e mais tarde mostradas por Carlo Rovelli e Lee Smolin como derivadas naturalmente de uma quantização não perturbativa da relatividade geral. Redes de spin não representam estados quânticos de um campo no espaço-tempo: elas representam diretamente estados quânticos do espaço-tempo.

A teoria é baseada na reformulação da relatividade geral conhecida como variáveis ​​Ashtekar , que representam a gravidade geométrica usando análogos matemáticos de campos elétricos e magnéticos . Na teoria quântica, o espaço é representado por uma estrutura de rede chamada rede de spin , evoluindo ao longo do tempo em etapas discretas.

A dinâmica da teoria é hoje construída em várias versões. Uma versão começa com a quantização canônica da relatividade geral. O análogo da equação de Schrödinger é uma equação de Wheeler-DeWitt , que pode ser definida dentro da teoria. Na formulação covariante, ou spinfoam da teoria, a dinâmica quântica é obtida por meio de uma soma sobre versões discretas do espaço-tempo, chamadas spinfoams. Estes representam histórias de redes de spin.

Outras teorias

Existem várias outras abordagens para a gravidade quântica. As teorias diferem dependendo de quais características da relatividade geral e da teoria quântica são aceitas sem mudanças, e quais características são modificadas. Exemplos incluem:

Testes experimentais

Como foi enfatizado acima, os efeitos gravitacionais quânticos são extremamente fracos e, portanto, difíceis de testar. Por esta razão, a possibilidade de testar experimentalmente a gravidade quântica não tinha recebido muita atenção antes do final da década de 1990. No entanto, na última década, os físicos perceberam que as evidências dos efeitos gravitacionais quânticos podem guiar o desenvolvimento da teoria. Como o desenvolvimento teórico tem sido lento, o campo da gravidade quântica fenomenológica , que estuda a possibilidade de testes experimentais, tem recebido atenção crescente.

As possibilidades mais amplamente buscadas para a fenomenologia da gravitação quântica incluem violações da invariância de Lorentz , impressões de efeitos gravitacionais quânticos no fundo de microondas cósmico (em particular sua polarização) e decoerência induzida por flutuações na espuma do espaço-tempo .

SEC 's INTEGRAL satélite medido polarização de fótons de diferentes comprimentos de onda e foi capaz de colocar um limite na granularidade de espaço que é inferior a 10 -48 m ou 13 ordens de grandeza abaixo da escala de Planck.

O experimento BICEP2 detectou o que inicialmente se pensava ser a polarização do modo B primordial causada por ondas gravitacionais no início do universo. Se o sinal de fato tivesse origem primordial, poderia ter sido uma indicação de efeitos gravitacionais quânticos, mas logo transpareceu que a polarização era devido à interferência de poeira interestelar .

Um experimento publicado em junho de 2021 afirma ter dado um primeiro passo para testar a gravidade quântica via emaranhamento , onde um sistema de átomos foi capturado pela luz. Quando vistas no ângulo certo, "as correlações de longa distância neste sistema descrevem uma geometria semelhante a uma árvore, semelhante às vistas em modelos simples de espaço-tempo emergente."

Experimentos mentais

Como explicado acima, os efeitos gravitacionais quânticos são extremamente fracos e, portanto, difíceis de testar. Por esse motivo, os experimentos mentais estão se tornando uma importante ferramenta teórica. Um aspecto importante da gravidade quântica se relaciona à questão do acoplamento de spin e espaço-tempo. Embora se espere que o spin e o espaço-tempo estejam acoplados, a natureza precisa desse acoplamento é atualmente desconhecida. Em particular e mais importante, não se sabe como o spin quântico origina a gravidade e qual é a caracterização correta do espaço-tempo de uma única partícula de meia-spin. Para analisar esta questão, experimentos mentais no contexto da informação quântica foram sugeridos. Este trabalho mostra que, a fim de evitar a violação da causalidade relativística, o espaço-tempo mensurável em torno de uma meia partícula de spin (quadro de repouso) deve ser esfericamente simétrico - ou seja, ou o espaço-tempo é esfericamente simétrico, ou de alguma forma medidas do espaço-tempo (por exemplo, tempo - medições de dilatação) devem criar algum tipo de ação nas costas que afeta e altera o spin quântico.

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos