¿Por qué la mecánica cuántica y la relatividad general son incompatibles?

Históricamente, el problema era técnico. Después de que los teóricos encontraron métodos para aplicar la teoría cuántica a las partículas (la ecuación de Schrödinger y la ecuación de Dirac) buscaron un método para aplicar ideas cuánticas a los campos (como el campo eléctrico, el campo débil y la gravedad). Se les ocurrió una forma general de hacerlo; técnicamente se llamaba “segunda cuantización”. Puede leerlo en cualquier libro de texto de posgrado sobre teoría cuántica de campos.

Pero este enfoque tenía un problema grave. Muchos de los cálculos dieron respuestas infinitas. Schwinger y Feynman y otros idearon una forma de resolver ese problema, llamada “renormalización”. En su versión más simple, consistía en separar los términos infinitos, argumentando que esos son términos que existen incluso en ausencia del fenómeno que le interesa, y luego desecharlos. Es una reminiscencia de Dirac diciendo que el vacío está lleno de un mar infinito de electrones de energía negativa que nunca notamos; simplemente ignóralo y estarás bien.

Pero la renormalización falló para la gravedad. Estaba relacionado con el hecho de que para ser compatible en el límite no cuántico con la relatividad general, la partícula intercambiada en gravedad debería ser una partícula de espín dos, una que llamamos gravitón. Pero el método de renormalización no funcionó.

A nadie le gustó la renormalización, pero tuvo mucho éxito. ¡Ignora la parte infinita y obtendrás la respuesta correcta! Todos esperaban que eventualmente profundizáramos y, en la teoría final, pudiéramos obtener respuestas finitas sin usar este truco.

Esa es parte de la razón de la emoción original sobre la teoría de cuerdas. Dio las mismas respuestas que la teoría cuántica de campos, pero sin la necesidad de renormalización. ¡Guauu! ¿Pero era la teoría correcta? Tuvo muchos otros problemas. Pero la gravedad no parecía ser uno de ellos; Parecía ser una parte natural de la teoría.

Como saben los lectores de mis otros escritos sobre Quora, no soy fanático de la teoría de cuerdas. Pero lo estuve por un tiempo. Evitar la renormalización me pareció una razón muy fuerte para pensar que la teoría de cuerdas estaba en el camino correcto. Pero ahora creo que esa pista estaba mal. La teoría de cuerdas ha hecho demasiadas predicciones (particularmente para partículas supersimétricas) que resultaron estar equivocadas, y no pudo predecir la energía oscura. Witten afirma que hizo una predicción correcta: la existencia de la gravedad. Pero, por supuesto, eso no era una predicción; Como ya se sabía que existía la gravedad, podría llamarlo una postdicción.

Sospecho que algún día encontraremos un enfoque diferente que evite la renormalización, uno que resulte ser el enfoque correcto. Mi propia sospecha: será una nueva variación de la teoría de cuerdas que evita el uso de la supersimetría. Con mucho gusto aceptaré cualquier teoría que realmente haga predicciones verificables que resulten ser correctas.

La relatividad general no tiene un propagador de fuerza. Como tal, la gravedad no está cuantizada. Todas las demás fuerzas están cuantizadas. El electromagnetismo es cuantificado por el fotón. La fuerza débil se cuantifica por el bosón W +, W- y Z. La fuerza fuerte es cuantificada por los gluones. Todas estas cuantizaciones implican la integración en el espacio y el tiempo.

Si no cuantificó la relatividad general, entonces se topa con contradicciones con la mecánica cuántica. El más fácil de entender es el problema del universo infinito:

Las observaciones indican que el universo es probablemente infinito, a pesar de que el universo observado es finito. La relatividad general no tiene ningún problema para describir un universo con solo masa y gravedad y cómo podría evolucionar desde un solo punto a un universo infinito. La tasa de expansión del universo ha variado con el tiempo. Pero si elige cualquier momento en el que el universo tenía un tamaño finito, la tasa de expansión también ha sido finita. Digamos, por ejemplo, si pregunto cuántas veces el universo se duplicó en tamaño en los últimos 11 mil millones de años, obtendré una respuesta finita.

Un problema que inspiró el modelo de inflación eterna: la mecánica cuántica nos dice que el tamaño mínimo para cualquier objeto, incluido el universo, es un tamaño finito. Por ejemplo, el diámetro mínimo es una unidad de tablones. La relatividad general nos dice que el universo solo se duplicó un número finito de veces ya que era una unidad de tabla de tamaño. Entonces, ¿cómo podemos tener un universo infinito? No se puede decir que el comienzo del universo debe haber sido más grande, porque eso significa que fue posible una mayor contracción al retroceder más en el tiempo, por lo que no fue el comienzo del universo. Nos quedamos con predicciones contradictorias. La mecánica cuántica nos dice que el universo debe ser finito, y la relatividad general nos dice que puede ser infinito.

Este es solo el ejemplo más simple que podría pensar como una contradicción … Hay muchos más ejemplos de este tipo que se hacen evidentes con los agujeros negros. La paradoja de la información es una de esas paradojas, pero es mucho más difícil para mí explicar por qué es una paradoja. Personalmente no entiendo por qué la información no se puede destruir, pero la acepto por fe.

Entonces, si queremos resultados consistentes, la gravedad necesita ser cuantificada. Al principio eso parece fácil. Simplemente agregue gravitón al modelo, que actúa como un fotón. El problema es que los gravitones tienen que hacer algo diferente a entregar una fuerza para ser consistentes con la relatividad general. Los gravitones necesitan curvar el espacio. Pero, ¿cómo se integra en el espacio-tiempo para calcular los efectos de los gravitones si los mismos gravitones están cambiando la condición de la integración? Cada gravitón está transfiriendo energía, por lo que los gravitones mismos tendrían que interactuar con otros gravitones, cayendo en cascada en un número infinito de gravitones para cada evento. Esto se conoce como el problema de Graviton y renormizationn.

Por supuesto, hay soluciones a este problema. Una de ellas es la teoría M de la gravedad del bucle cuántico. Pero son posibles muchas otras soluciones, todas las que encajan dentro del ámbito de las observaciones reales. Sin una única solución única, o incluso una que sea claramente mucho más simple que todas las demás, entonces tenemos problemas difíciles para probar y descubrir cuál es la correcta (si la hay).

Una suposición básica en la física de Einstein es que el espacio es continuo e infinitamente divisible, de modo que cualquier distancia podría dividirse en distancias aún más pequeñas.

Así como un píxel es la unidad más pequeña de una imagen en su pantalla y un fotón es la unidad de luz más pequeña, también puede haber una unidad de distancia más pequeña e irrompible: un cuanto de espacio.

El espacio grueso no se alinea perfectamente con las ideas de la teoría de cuerdas o con cualquier otro modelo de física propuesto

No tendría sentido preguntar cómo se comporta la gravedad a distancias más pequeñas que una sola porción de espacio.

La gravedad no funcionaría en las escalas más pequeñas porque no existiría tal escala.

la relatividad general se vería obligada a hacer las paces con la física cuántica, porque el espacio en el que los físicos miden los efectos de la relatividad se dividiría en unidades cuánticas irrompibles.

El teatro de la realidad en el que la gravedad actúa tendría lugar en un escenario cuántico.

Un camino más fructífero hacia adelante es considerar el universo como un único sistema enorme y construir un nuevo tipo de teoría que pueda aplicarse a todo.

Y ya tenemos una teoría que proporciona un marco para ese enfoque: la relatividad general.

A diferencia del marco cuántico, la relatividad general no permite un observador externo o un reloj externo, porque no hay un “exterior”.

En cambio, toda la realidad se describe en términos de relaciones entre objetos y entre diferentes regiones del espacio. Incluso se puede considerar que algo tan básico como la inercia (la resistencia de su automóvil a moverse hasta que el motor lo obliga, y su tendencia a seguir moviéndose después de quitar el pie del acelerador) está conectado al campo gravitacional de todas las demás partículas. En el universo.

Hay problemas, pero la mente humana innovadora encontrará la manera …

para una discusión detallada ver

Relatividad v mecánica cuántica: la batalla por el universo

A2A Dado que Barak Shoshany y Quora User han hecho su excelente trabajo habitual de respuesta, en su lugar ampliaré un poco las consecuencias y el significado de qué es la renormalización y por qué es necesaria (con buenos resultados en algunos casos, y no tan buena en otros). Entonces lea sus respuestas antes de esto. Para agregar algo de sabor, termino con algunas conclusiones sobre a dónde debe ir la teoría desde aquí (solo mi opinión) para evitar la necesidad de renormalización; es decir, un posible camino hacia la unificación.

También señalaría una fuente más de complejidad matemática en las teorías actuales (de hecho, una incompatibilidad, si no formalmente): nadie puede encontrar una manera de expresar un resultado QFT general no trivial en el cálculo de Tensor, y nadie puede encontrar una forma de expresar ¡Un resultado general no trivial de GR en cálculo funcional! La transformación solo se puede aproximar a una precisión muy buena para estudios de caso simples de baja densidad de energía, razón por la cual la mecánica clásica y las teorías de Newton siguen siendo extremadamente relevantes para los practicantes de física.

Cuando las técnicas de renormalización se descubrieron por primera vez en física, causaron problemas porque, aunque claramente funcionaban, no era inmediatamente obvio por qué funcionaban. Afortunadamente, en las densidades de energía típicas de la Electrodinámica Cuántica solo necesitabas unos pocos términos para obtener una precisión excepcional porque el tamaño de cada término posterior es mucho más pequeño que el anterior. Así que el trabajo acertadamente hizo los libros de historia de la física. El Premio Nobel de Física 1965

El problema es que a medida que aplicamos la teoría de la renormalización a densidades de energía cada vez más altas, el número práctico de términos en esa serie infinita necesaria para obtener un resultado preciso se hace cada vez más grande, o los resultados son cada vez más aproximados. Puede ver esto hoy en el modelo estándar, donde existen diferentes esquemas de renormalización (dependiendo de la densidad de energía de renormalización elegida) y, por lo tanto, debe tener mucho cuidado de no comparar manzanas y naranjas.

No solo eso, sino que algunos de los resultados están empujando ese límite de densidad de energía, dando como resultado valores teóricos importantes que “funcionan” con energía como https://en.wikipedia.org/wiki/We …, pero que en principio podría esperarse surgir de una sola constante en una teoría completa de la relatividad cuántica. Por lo tanto, las relaciones matemáticas que se combinan con la realidad física abundan para los incautos en el modelo estándar como consecuencia de estas aproximaciones de renormalización necesarias y la interpretación del modelo estándar no es tan fácil de aceptar como se podría pensar. En particular, causa estragos cuando trata de usar la renormalización para responder preguntas como si todas las fuerzas de la naturaleza se unifican en una energía común o no. Sospechamos que podrían, pero no lo sabemos, y no hay señales de que vamos a agregar suficientes términos para averiguarlo pronto.

Entonces, qué hacer con estas inconsistencias, porque hemos impulsado la renormalización hasta el punto (argumentaría un poco más allá) sus capacidades y nos hemos quedado más o menos sin opciones teóricas para tratar de conciliar todo esto matemáticamente.

Sabemos (muy fuertemente sospechoso) que las leyes de la física son independientes de un fondo de referencia (el principio de relatividad), por lo que no debería importar lo que hagamos a ese marco de referencia, los resultados deberían permanecer invariables. Yo abogaría por una versión mucho más fuerte del principio de relatividad, una que incluya no solo la invariancia rotacional y traslacional, sino también la invariancia de escala. https://en.wikipedia.org/wiki/Sc… . Con lo cual no queremos decir simplemente cambiar nuestra regla de unidades imperiales a unidades métricas.

Afortunadamente, ahora tenemos una pista muy fuerte sobre lo que la renormalización está tratando de lograr en las teorías del campo físico, ya sea cuántico o clásico; Si tomamos nuestras teorías no invariantes de escala de QFT y GR y sumamos un número infinito de correcciones de renormalización, terminamos con (en el límite) un resultado invariante de escala. Lo que si realmente tomamos en serio que nuestras leyes de la física son verdaderamente independientes del marco de referencia de fondo, debería ser el caso. Entonces esas son las buenas noticias. La mala noticia es que la renormalización no es práctica a altas densidades de energía.

Entonces, ¿qué es la renormalización cuando se interpreta geométricamente? Considere un espacio con campos. Esos campos tienen una energía que debe ser conservada. Como consecuencia, a medida que expandimos el espacio, la densidad de energía (energía por unidad de volumen de espacio) disminuye, y a medida que se reduce, la densidad de energía aumenta. Y aquí está el problema, cuando la escala se reduce a cero, la densidad de energía debe ser infinita; y un resultado infinito en su interpretación matemática de la ley física es una señal segura de que sus matemáticas están dando una interpretación incorrecta sobre el mundo que nos rodea.

Para evitar este problema, colocamos un límite superior en la densidad de energía permitida, y este valor, cuando se combina con la forma matemática de los campos, da como resultado la serie de renormalización apropiada; Con la advertencia, vamos a tener que agregar términos suficientes y realizar experimentos no muy cerca de esta densidad de energía para que la teoría dé resultados empíricos correctos. ¡Y ese es el caso hoy!

Pero esta interpretación geométrica de la renormalización en la teoría física también indica que si queremos una teoría que no tenga términos de renormalización, entonces no puede ser una teoría de campo, porque sin un límite superior de densidad de energía, una singularidad infinita es inevitablemente posible.

Esta es la razón principal, pero no la única, por la cual, a pesar de que QFT y GR son teorías de campo perfectamente buenas y precisas en física, he concluido que cualquier teoría unificada NO va a ser una teoría de campo, y no tiene sentido intentar nuestra cabeza en contra de extrapolar matemáticamente estas teorías a un resultado de teoría de campo unificado.

Entonces, elijo hacer mi investigación teórica en geometrías puras y topologías que no requieren campos. Además, trabajo en teorías en las que la invariancia de escala es un requisito axiomático impuesto por la naturaleza, que genera tres axiomas naturales centrales cuando se combina con el principio de relatividad y el cuanto de acción. Y hasta la fecha, este enfoque parece estar funcionando bastante bien, así que espero que 2016 sea un buen año para finalmente publicar algo de trabajo sobre esto.

Todas las palabras que puedas decir? Posiblemente. A finales de 2012, este trabajo condujo al descubrimiento de una nueva relación dimensional entre las constantes teóricas a partir de las cuales se puede calcular la masa del electrón. En la práctica, esto se expresó mejor como una predicción teórica de la constante de Newton G = 6.67387094 (29) e-11 Nm2kg-2. A finales de 2015, Anderson et al publicaron un resultado empírico mejorado para G de 6.67389 (10) e-11 Nm2kg-2, en comparación con el CODATA 2010 6.67384 (80) e-11 y el valor actual de CODATA 2014 de 6.67408 (31) e-11

Espero más refinamientos empíricos en la precisión de G en los años venideros.

Depende de lo que quieras decir con “conciliar”.

El paradigma prevaleciente actual es que “reconciliar” significa “unificar”. La unificación tiene una historia venerable en física, comenzando por la idea de Newton de que la misma fuerza que hace que una manzana caiga al suelo es la que mantiene la luna en órbita alrededor de la Tierra, hasta la unificación de Electricidad y magnetismo de Maxwell, y la posterior unificación. de electromagnetismo con óptica, a la unificación más moderna de la fuerza débil con las interacciones electrodinámicas en la fuerza electrodinámica.

Entonces, naturalmente, los físicos actualmente están buscando una teoría que sea, en cierto sentido, más general que la relatividad general y la teoría cuántica (es decir, en este contexto, la teoría cuántica de campos, que está mucho más involucrada que la mecánica cuántica) dentro de la cual las dos son unificado

A priori, hay dos formas de hacerlo, dependiendo de cuál de estos dos se considere la descripción actual más fundamental de la naturaleza.

Resulta que la opinión de que la relatividad general es más fundamental que la teoría cuántica no es muy popular. Creo que el defensor más destacado de este punto de vista puede ser el eminente matemático / físico Roger Penrose.

La opinión mucho más predominante es que la descripción de toda la naturaleza, incluida la gravedad, debe incorporar aspectos que caractericen la teoría cuántica. Por lo tanto, la mayoría de los físicos en este campo están tratando de buscar una teoría en la que la gravedad sea descrita por una teoría cuántica, y el término general para este tipo de teoría es la gravedad cuántica.

El primer problema que uno encuentra es que la relatividad general, tal como fue formulada por Einstein, no parece incorporar ningún aspecto cuántico. Sin embargo, resulta que es posible reformular matemáticamente la Relatividad General, al menos en cierta medida, en términos de una teoría cuántica de campos. Los primeros intentos fueron realizados por, entre otros, Richard Feynman, quien describió algunos de los esfuerzos iniciales de hacer esto en sus Lectures on Gravitation de 1962.

El segundo problema se convirtió entonces en que tales esfuerzos se encontraron con dificultades aparentemente insuperables en términos de llegar a una teoría consistente. Un aspecto central de estas dificultades es que la gravedad no se puede normalizar. Sin entrar en detalles, esencialmente implica que el mismo procedimiento que uno usa en la teoría cuántica de campos para obtener un número que luego puede salir y comparar con el resultado de un experimento, cuando se aplica a la gravedad, da infinito.

En respuesta a este desafío, a los físicos se les ocurrieron teorías cada vez más sofisticadas de la gravedad cuántica. De estos, los más ampliamente explorados (pero de ningún modo los únicos) son la teoría de cuerdas (o, más generalmente, la teoría M) y la gravedad cuántica de bucle.

Mientras lidiaba con estos desafíos, se hizo evidente un tercer problema: la falta de predictividad, en el sentido de que la teoría da un número que luego se puede salir y verificar mediante un experimento factible (como lo hace la teoría de campo cuántico). Este problema parece ser especialmente pronunciado con la teoría de cuerdas, y parece originarse en el hecho de que, en aras de la coherencia matemática, la teoría requiere, según la formulación, 10 u 11 dimensiones espacio-temporales. Por lo tanto, uno necesita un argumento para que esto sea coherente con el hecho de que solo podemos observar directamente 4 dimensiones del espacio-tiempo, y resulta que no hay una forma única de hacerlo.

El enfoque más común para resolver esta discrepancia es imaginar que estas dimensiones adicionales no son directamente accesibles para nosotros porque están compactadas. Desafortunadamente, hay muchas, muchas formas matemáticas diferentes de compactar dimensiones, cada una de las cuales produce una variante diferente de la teoría de cuerdas. De hecho, las estimaciones del número de estas variantes desde hace unos años fueron tan altas como alrededor de [matemáticas] 10 ^ {500} [/ matemáticas] [matemáticas] [/ matemáticas] (este número se escribe como 1 seguido de 500 ceros!), y no hay forma de encontrar la teoría única que caracteriza a nuestro universo conocido en este gigantesco pajar, que se llama el paisaje de la teoría de cuerdas.

Ahora, se puede saber que las predicciones de que uno puede salir y verificar con la naturaleza por medio de experimentos u observaciones son lo que diferencia a la ciencia de otros campos de investigación. Sin predicciones comprobables, no tienes ciencia; en el mejor de los casos tienes matemáticas, en el peor de los casos teología.

Los defensores de la teoría de cuerdas a veces afirman que la teoría de cuerdas es predictiva, pero si se examinan estas afirmaciones cuidadosamente, se encontrará que tales afirmaciones usan la palabra “predictivo” en un sentido ligeramente diferente de la forma en que se usa en el resto de la física. .

En física, una “predicción” en el sentido habitual implica al menos los siguientes tres aspectos:

1) la posibilidad de un experimento u observación que se pueda realizar ahora o en un futuro razonablemente cercano para probar la predicción, o que se pueda realizar al menos en principio.

2) la posibilidad de que si la predicción se prueba y se considera incompatible con el resultado de un experimento u observación, la teoría se falsifica o se modifica de alguna manera significativa.

3) la posibilidad de que una predicción que satisfaga 1) y 2) distinga de manera única la teoría que hace esa predicción de las teorías rivales

La teoría de cuerdas es definitivamente predictiva de fenómenos en la escala de Planck. Desafortunadamente, no tenemos ninguna esperanza de que (y mucho menos en un futuro razonablemente cercano) podamos probar las predicciones de la escala de Planck porque cualquier prueba realista de tales predicciones está tecnológicamente y casi con seguridad fuera de nuestro alcance. Entonces este tipo de predicción falla 1).

Otro tipo de predicción generalmente surge de combinar la teoría de cuerdas con lo que se llama Supersimetría. Para tener una idea de lo que es la supersimetría, primero debe recordarse que nuestra descripción más fundamental de la naturaleza, excluyendo la gravedad, es un marco matemático llamado Modelo Estándar, que, en cierto sentido, está constituido por tres teorías de campo cuántico: la electrodinámica cuántica, Interacciones débiles e interacciones fuertes. (Por cierto, la mecánica cuántica en sentido estricto (es decir, cuando no se utiliza como sinónimo del término no específico ‘teoría cuántica’) puede considerarse como una aproximación no relativista a la electrodinámica cuántica)

En las tres teorías de campo cuántico existe una división fundamental de las partículas en dos clases: los bosones, que son la manifestación de partículas de las “fuerzas” que caracterizan la teoría, y los fermiones, que son las partículas que constituyen la “materia”.

La supersimetría se puede considerar como una extensión del modelo estándar que postula que para cada bosón hay un compañero de fermión supersimétrico, y para cada fermión hay un compañero de bosón supersimétrico.

Las masas de estos supercompañeros tienen un amplio rango, pero algunas de las predicciones del más ligero de estos supercompañeros para ciertas variantes de la teoría de cuerdas más la supersimetría han caído dentro de los rangos comprobables por los aceleradores de partículas, en particular el Tevatron y el Gran Colisionador de Hadrones. En todos los casos hasta ahora, un supercompañero predicho con una masa que era lo suficientemente ligera como para ser detectable, cuando en realidad se buscaba, no se pudo detectar.

Entonces, estas fueron ciertamente predicciones en el sentido de que falsificaron variantes de la teoría de cuerdas más supersimetría que requerían supercompañeros ligeros que podrían haber aparecido en los experimentos del acelerador de partículas pero no lo hicieron. Pero aquí está el problema: Digamos que uno tiene un marco general que, dependiendo de algunos parámetros, puede dar 10, o, digamos, incluso 100 variantes de un candidato específico de una teoría que describe algún aspecto (o quizás toda) la naturaleza. Entonces, si uno puede excluir mediante el experimento, digamos, 2-3 variantes, uno ha hecho un progreso apreciable y puede continuar en el camino para tratar de descartar las otras 7-8 o 97-98 variantes.

Como hay, como se mencionó, algo así como [matemática] 10 ^ {500} [/ matemática] variantes de la teoría de cuerdas, descartar algunas variantes no puede considerarse en ningún sentido significativo como progreso: Uno todavía está atrapado con [matemática ] 10 ^ {500} [/ math] candidatos, un número que a todos los efectos prácticos no se puede distinguir del infinito. Entonces, cualesquiera que sean las modificaciones que uno tenga que hacer en el marco de la teoría de cuerdas como resultado de la falsificación de estas variantes, en ningún sentido pueden considerarse significativas, y por lo tanto, este tipo de predicciones fallan 2).

Finalmente, uno se encuentra en ocasiones afirmando que las predicciones de las teorías establecidas a las cuales se pretende reducir la teoría de cuerdas, es decir, la teoría cuántica y la relatividad general, también son sus predicciones. Aunque ciertamente no es el caso que la relatividad general y el modelo estándar sean “teorías rivales” de la teoría de cuerdas, tales afirmaciones de predictividad aún fallan 3). La razón de esto es que, al menos en la actualidad, todavía no es necesariamente un requisito de que los dos primeros se concilien entre sí mediante la unificación. Diré más sobre esto en breve.

Entonces, si por “conciliar” quieres decir “unificar”, entonces para conciliar la relatividad general con la mecánica cuántica necesitas encontrar una teoría tal que:

a. La relatividad general y la teoría cuántica se presentan como casos especiales o aproximaciones de esa teoría.

si. la teoría es consistente

C. la teoría es predictiva (en el sentido generalmente usado en física)

re. las predicciones de la teoría son exclusivas de esa teoría

Como se describió anteriormente, hasta ahora nuestros esfuerzos actuales no han cumplido con todos estos requisitos, pero una vez que se cumplen, por supuesto, también hay uno obvio adicional, a saber, que las predicciones de la teoría, cuando se prueban, se confirman.

Sin embargo, hay una forma alternativa por la cual la Relatividad General y el modelo estándar pueden conciliarse: se podría decir con “reconciliado” simplemente “encontrado para coexistir consistentemente sin unificación”.

La relatividad general describe la gravedad en términos de una curvatura del espacio-tiempo, y las teorías de campo cuántico del modelo estándar se definen en un fondo plano de espacio-tiempo. Sin embargo, se entiende bien cómo definirlos en un fondo de espacio-tiempo curvo, y esto se llama teoría de campo cuántico en espacio-tiempo curvo.

La teoría del campo cuántico en el espacio-tiempo curvo generalmente se considera como una aproximación a la gravedad cuántica, pero si realmente es el caso de que la relatividad general y la teoría del campo cuántico simplemente “coexisten sin unificación”, ese sería esencialmente el final de la historia: la combinación de la relatividad general más la teoría cuántica sería simplemente la teoría cuántica en el espacio-tiempo curvo.

El problema con esto es que requiere que conozcamos el límite de los dominios de validez de las dos teorías: ¿según qué criterio podemos establecer dónde termina la teoría cuántica y dónde comienza la relatividad general? Actualmente no conocemos ninguno, y ninguno hasta ahora nos ha sugerido remotamente, lo cual es la razón principal por la cual este segundo sentido de “reconciliación” no es popular en la actualidad.

Tenga en cuenta que este sentido de reconciliación puede cumplirse con afirmaciones de que ya está descartado. Para respaldar estas afirmaciones, se dan ejemplos, como la flexión de la luz debido a la gravedad, como ocurre con las lentes gravitacionales, y que hay experimentos de interferometría de onda de materia a través de interferómetros atómicos que muestran claramente que los átomos e incluso algunas moléculas exhiben las características de comportamiento cuántico, como se manifiesta por, digamos, el experimento de la doble rendija, todo el tiempo exhibiendo una aceleración medible hacia el centro de la tierra.

Pero todos estos ejemplos pueden explicarse, si no en la práctica, al menos en principio, por la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo. Por lo tanto, la afirmación de que este segundo sentido ya ha sido descartado no es cierta.

Lo que se necesita para descartar este segundo sentido es un experimento u observación en el que un objeto cuántico actúa como una fuente gravitacional. En todos los ejemplos que se pueden proporcionar hasta ahora para refutar la noción de que la teoría cuántica y la relatividad general podrían no necesitar unificarse, los objetos cuánticos son cargas de prueba en un campo de gravedad que se puede describir de manera clásica. Nunca son fuentes en sí mismas, por lo que no refutan esta noción.

Sin embargo, el problema con un experimento que involucra un objeto cuántico como fuente de gravedad es que la gravedad es extremadamente débil. Cuando compara la relación de la fuerza electromagnética a la fuerza gravitacional para una partícula elemental, resulta casi [matemática] 10 ^ {40}. I [/ math] t es bastante seguro, entonces, que no podremos medir los campos de gravedad de partículas elementales en el corto plazo, si es que lo hacemos.

Entonces, anteriormente hice un gran problema sobre la predictividad, ¿no debería aplicarse esto aquí también para descartar el segundo sentido de “reconciliación” como mera filosofía o matemáticas?

Bueno, si bien es posible que no podamos medir los campos de gravedad de las partículas elementales, hay potencialmente otras formas de verificar esto en un futuro razonablemente cercano. En mi opinión, el más prometedor se basa en el progreso continuo en el desarrollo tecnológico de los láseres de ultra alta intensidad. Si los pulsos de energía emitidos por estos pueden ser lo suficientemente fuertes como para crear campos de gravedad medibles (y los instrumentos para medir el campo de gravedad pueden ser lo suficientemente precisos), entonces es posible verificar si este segundo sentido de “conciliación” tiene algún mérito:

Si detecta los campos de gravedad que se esperan universalmente, entonces se descarta la “coexistencia sin unificación”, y si no lo hace, bueno … entonces será muy interesante, porque en la actualidad esto no se espera en absoluto.

Hasta ahora, intenté ofrecer una visión razonablemente objetiva de los problemas relacionados con la respuesta a esta pregunta, pero por la cantidad de espacio que dediqué al segundo sentido de “reconciliación”, se puede suponer que soy un defensor de esta segunda interpretación. . Eso es cierto, y si se me permite insertar mi propia opinión subjetiva, es esta: creo que el descubrimiento experimental de física fundamental más significativo de este siglo, que también nos guiará sobre cómo la relatividad general debe reconciliarse con la teoría cuántica , todavía nos queda por delante.

No son “inconsistentes”, es solo que GR es una teoría clásica (que significa mecánica no cuántica), y nadie ha encontrado una manera de “cuantizarla”. Si haces lo ingenuo (lo mismo que le hicieron a E&M para hacer QED), rápidamente ves que los infinitos que aparecen en QFT que pueden ser reparados por el proceso de renormalización, simplemente no funcionan para GR, porque requiere un número infinito de términos de corrección (y, por lo tanto, un número infinito de parámetros libres para ser fijados por el experimento, y por lo tanto no sería predictivo).

Por lo tanto, los físicos “vuelven a la mesa de dibujo” e intentan encontrar formas “no ingenuas” para cuantificar la gravedad, y cuando miras más profundo, ves que parte del proceso completo de “cuantización” normalmente comienza con un lindo fondo vacío: el vacío del espacio, y luego observa pequeñas perturbaciones de los diversos campos en la parte superior. El problema con esto es que la gravedad es lo que decide si incluso * hay * un “lindo fondo vacío”: GR gobierna la curvatura del espacio, por lo que hay un problema inherente de huevo y gallina en la forma normal de cuantificarlo. – ¡no tienes nada estable y estático para perturbar!

Por supuesto, hay un millón de buenas respuestas a esta pregunta, pero creo que la respuesta “correcta” es realmente que no son inconsistentes en ningún sentido teórico, simplemente resulta que el proceso por el cual definimos la mayoría de las teorías cuánticas (tome un La teoría clásica, eliminar todas las interacciones, cuantificar esa teoría, luego volver a agregar las interacciones como una perturbación, renormalizar para deshacerse de los infinitos horribles, ¡extrapolar!) simplemente no funciona para GR.

Ahi esta. Es quizás el conflicto más famoso entre dos teorías.

Y es realmente popular entre los físicos. Nadie ha podido resolver este problema adecuadamente desde las últimas décadas.

El problema surge cuando miramos el espacio-tiempo a escalas pequeñas. Según la Relatividad General (GR), el espacio-tiempo es totalmente fluido. Pero, la mecánica cuántica asegura que el espacio nunca pueda ser suave a escalas pequeñas.

¿Por qué? En realidad, de acuerdo con el principio de incertidumbre, si conoce con precisión el valor de un campo cuántico, no puede saber su tasa de cambio. Entonces, en el espacio vacío, donde sabemos que el valor del campo es cero, no sabemos cómo cambiaría con el tiempo. Esto da como resultado fluctuaciones de campo muy salvajes en el campo cuando se trata de pequeñas regiones del espacio. Dichas fluctuaciones deforman y curvan el espacio salvajemente y, por lo tanto, el espacio no permanece suave a escalas pequeñas.


Este problema es realmente importante de resolver porque en algunas situaciones (como el centro del agujero negro, los momentos iniciales del universo), necesitamos usar tanto la Mecánica Cuántica como la Relatividad General para saber cómo son las cosas.

La cuestión es que las ecuaciones combinadas de Relatividad General y Mecánica Cuántica no tienen sentido. ¡Las ecuaciones producen resultados como probabilidades infinitas !


¿Cuál es la solución a esto ?

Los físicos esperan que una nueva teoría, la teoría de las supercuerdas , pueda conciliar la mecánica cuántica con la relatividad general. Esto explica muchas cosas, y este problema es uno de ellos. Se basa en el hecho de que la gravedad se cuantifica, es decir, existe en paquetes llamados gravitones.

Salud.

La teoría de la relatividad general podría considerarse como la realización del último sueño de la física clásica, si ese sueño fuera capaz de describir todo y visualizar todo en términos del movimiento de una gran cantidad de partículas, o algunas un poco más. cosas complicadas llamadas campos, a lo largo de algún tipo de líneas curvas, cuyo movimiento estaría completamente determinado por las condiciones iniciales.

GR introduce una variedad curva de espacio-tiempo, cuya curvatura está determinada por la solución de las ecuaciones de campo de GR, que en general es muy difícil de encontrar … pero eso no es una objeción a la teoría.

Las ecuaciones dinámicas de la teoría relacionan el tensor de energía de estrés de toda la materia con la métrica del espacio-tiempo. Una vez que se encuentra la solución para el tensor métrico, se determina completamente el movimiento de una masa de prueba (es decir, una pequeña masa) a través del espacio-tiempo. Una masa de prueba se mueve a lo largo de una geodésica en el espacio-tiempo. Esta es una idea muy hermosa. Pero implica que tanto la posición como la velocidad de la masa de prueba estarán determinadas, definitivamente, por la solución de las ecuaciones de campo GR, que a su vez determinan la ecuación geodésica.

Por lo tanto, no hay una barra, en GR, para conocer tanto el momento como la posición de una partícula de prueba al mismo tiempo, con precisión arbitraria.

La mecánica cuántica, por otro lado, no está de acuerdo con esto. En QM, es demostrable que no es posible determinar, simultáneamente, el momento y la posición de una partícula de prueba.

Y la observación y el experimento verifican las predicciones de QM en escalas pequeñas.

QM fue mejor formulado, IMO, por Dirac en su texto:

Los principios de la mecánica cuántica (Serie internacional de monografías sobre física): PAM Dirac: 9780198520115: Amazon.com: Libros

Allí presenta una prueba elemental del principio de incertidumbre de Heisenberg, basado en la desigualdad de Schwarz. El punto crítico es que, para un sistema hamiltoniano en QM, las posiciones y los momentos canónicamente conjugados, no pueden determinarse simultáneamente con una precisión mejor que una simultánea. Esto significa que no podemos visualizar las trayectorias de las partículas de prueba en el espacio-tiempo perfectamente bien; en efecto, el espacio visualizable se reduce en dimensión en 1/2.

Entonces, según lo veo, es la aparente incompatibilidad entre las teorías, no significa que sean realmente incompatibles, por supuesto.

Usted preguntó “por qué se dice”, no “por qué lo es”. La razón por la que se dice es porque cada vez que alguien hace algo, una gran cantidad de personas estúpidas intentan reprimirlo. En este caso, esto está suprimiendo el trabajo de los teóricos de cuerdas, especialmente Joel Scherk y John Schwarz, quienes fueron los primeros en comprender cómo combinar la mecánica cuántica con la Relatividad General. También fueron resultados simultáneos de Tamiaki Yoneya.

La relatividad general se combina con la mecánica cuántica en la teoría de cuerdas, esto es un hecho matemático, al menos perturbativamente, y un cierto hecho científico en ciertos entornos que son supersimétricos, incluso no perturbativos. Pero la gente quiere negar el crédito de los teóricos de cuerdas por varias razones.

1. Eran del tipo equivocado de personas, eran izquierdistas y raros en instituciones más pequeñas diferentes de los grandes centros de física.
2. Algunos de ellos se oponían a la teoría de campo, y creían que la interacción fuerte era fundamentalmente una teoría de cuerdas en la década de 1960, esto no estaba bien. Quarks y pegamento hacen una teoría de campo, y la teoría de campo tiene sentido.
3. Eran mucho más inteligentes y más trabajadores que todos los demás, y todos los demás no querían admitirlo, especialmente después de que quedó claro que todos tenían razón sobre el punto 2 y que no lo estaban.

Pero la gente se resiente de un gran descubrimiento y hará cualquier cosa para ocultarlo del público y de los demás. Entonces continúan diciendo lo que sea, y se ciegan a los logros científicos. Esto es política.

Un problema con la combinación de la relatividad general y la mecánica cuántica es que la geometría debe terminar en una superposición, y no podemos enumerar “todas las geometrías posibles”, porque el número de geometrías de 4 dimensiones es infinito de una manera que no se puede enumerar o clasificado en una computadora. Este era un teorema en la década de 1980: cualquier grupo puede aparecer como el grupo fundamental de una variedad de 4 dimensiones, por lo que decidir si dos variedades de 4 dimensiones (geometrías) son idénticas es indiscutible.

Otro problema es la posible falta de un buen vacío. Witten demostró que un espacio-tiempo que se ve completamente bien, el espacio circular de Kaluza Klein, es realmente inestable en la Relatividad General cuántica, en la aproximación semiclásica. Hay un proceso de túnel donde todo el espacio se convierte en una “burbuja de nada” que crece a la velocidad de la luz. El problema general de hacer un vacío es difícil, porque las integrales de la ruta de relatividad general no tienen una forma de girar fácilmente al tiempo imaginario, con un estado definido de energía más baja que se conoce de antemano.

Un tercer problema son los problemas de corta distancia. A distancias cortas, la relatividad general no es renormalizable, lo que significa que hay más y más tipos de procesos que se vuelven importantes, y la teoría probablemente no tenga sentido.

El cuarto problema es la información del agujero negro. Los agujeros negros tienen una entropía proporcional a su área. Si el espacio es continuo con campos definidos en él, ‘tHooft mostró que la entropía de un agujero negro sería infinita, desde los modos de campo congelado justo al lado del agujero negro.

La teoría de cuerdas resuelve todos estos problemas para siempre. Resuelve el problema de información del agujero negro al ser una teoría de la matriz S, así fue como se descubrió. Esto significa que no describe el espacio y el tiempo, excepto como reconstrucciones interiores, solo describe las partículas que entran y se dispersan en las partículas que salen, a través de una descripción que está bien definida solo en los estados asintóticos.

Esto también resuelve el problema de la indisputabilidad, porque no hay una suma sobre las geometrías, solo sobre los estados asintóticos. Resuelve el problema de la renormalización siendo finito, porque la suma sobre los estados asintóticos no reproduce colisiones detalladas en puntos espacio-temporales bien definidos, sino que difumina las colisiones que nunca están completamente localizadas.

La supersimetría en la teoría de cuerdas resuelve el problema de la unicidad del vacío, puede demostrar que la inestabilidad de Witten es cancelada por los modos fermiónicos en la versión de la teoría de cuerdas, debido a la supersimetría. Los cálculos de la teoría de cuerdas pueden continuar hasta el tiempo imaginario sin ningún problema, al menos perturbativamente. Las formulaciones no perturbativas no están completas en todas las circunstancias, pero los métodos son claramente completamente diferentes de continuar una integral de camino teórico de campo.

Entonces, el problema se ha resuelto en gran medida. Pero eso no significa que sepamos que la teoría de cuerdas describe nuestro universo, solo que la teoría de cuerdas es capaz de combinar la relatividad general y la mecánica cuántica. Aún así, esto significa que las personas deberían dejar de decir lo que usted dice que están diciendo.

Esa es una pregunta interesante. Realmente no estoy calificado para responder porque no es mi campo de investigación, pero tengo algunas ideas sobre dónde se encontró el problema. Pero tome mi respuesta con un grano de sal en caso de que sea basura completa.

La relatividad especial y la mecánica cuántica se fusionaron con éxito para producir teorías de campo cuántico. Dirac fue el primero en hacer esto, con su ecuación homónima de Dirac. Esta ecuación fue para un electrón y también predijo la existencia del positrón, lo cual es bueno para una teoría, aunque en el momento en que causó muchos rasguños en la cabeza. Por supuesto, los positrones se descubrieron muy poco después en los eventos de rayos cósmicos.

De la ecuación de Dirac, ahora pasamos al modelo estándar de física de partículas, que es una teoría de campo para las fuerzas electro-débiles y fuertes. El modelo estándar es invariante de Lorentz, lo que significa que es consistente con la relatividad especial.

El problema ocurrió cuando la Relatividad General se incluyó en la teoría. El primer intento más simple se llamó la ecuación de Wheeler-DeWitt. Entonces fue posible formular una teoría de campo compatible con la relatividad general. Solo tenía un problema, no tenía dependencia del tiempo …

Algunas personas sostienen que esta falta de dependencia del tiempo resulta de la forma fundamental en que se trata el tiempo en las dos teorías. En las teorías cuánticas, el tiempo es un parámetro, separado del sistema cuántico. Sin embargo, en la relatividad general, el tiempo es una parte integral de la tela, ya que depende de la materia que contiene. Esto a veces se conoce como el problema del “tiempo”.

Los posibles contendientes para la solución de este problema son la teoría de cuerdas, entre otros. Sin embargo, ninguno de los contendientes parece estar exento de problemas. Lo que realmente se necesita es un avance experimental para ayudar a clasificar las posibles teorías. Ese avance podría ser inminente, ya que el LHC encontró una nueva anomalía, que podría ser una nueva partícula. Cualquier partícula nueva descubierta en el LHC nos llevará más allá del modelo estándar. ¡Así que estos son tiempos emocionantes!

La gravedad es una teoría completamente diferente en comparación con otras teorías conocidas de muchas maneras. Los procedimientos que generalmente utilizamos en otras teorías (por ejemplo, la teoría electromagnética) no son válidos para la gravedad. Las dos disparidades más importantes son las siguientes:

En primer lugar, si consideramos la gravedad de la misma manera que los campos escalar y electromagnético y tratamos de obtener las ecuaciones de campo, estamos seguros de tener problemas. Consideremos que la acción gravitacional es una integral sobre un lagrangiano que depende de la métrica y sus primeras derivadas, entonces a primera vista podríamos suponer que obtenemos las ecuaciones de campo de segundo orden en las derivadas de la métrica. Pero esta idea realmente no funciona porque de ninguna manera podríamos encontrar ningún lagrangiano escalar no trivial para que la acción sea un escalar generalmente covariante. El procedimiento formal que se utiliza es considerar un escalar generalmente covariante que depende de la métrica, su primera derivada y su segunda derivada (solo linealmente en segundas derivadas) y luego agregamos un término al lagrangiano cuya variación da ciertos contratérminos que cancela los términos no deseados que obtenemos de los segundos términos derivados de la métrica. Tal escalar es, de hecho, el escalar Ricci formado a partir del tensor de Riemann.

La otra cosa importante sobre la gravedad es que “la gravedad no es renormalizable”. Esto significa que las divergencias que surgen en la expansión del diagrama de Feynman no se pueden absorber fijando finitamente los diversos acoplamientos a sus valores observados. Tales teorías no renormalizables a menudo se ven como teorías de campo efectivas que tienen un cierto límite de energía (el límite de UV) y se supone que la teoría es válida hasta ese límite solo y más allá del cual la teoría no es válida. La detección de la gravedad a energías bastante bajas se debe al hecho de que los campos gravitacionales a nivel macroscópico se suman de manera coherente, mientras que en la escala cuántica el efecto es completamente insignificante y necesitamos energías muy altas para observar tales fenómenos, que es alrededor de 10 ^ 19 GeV (la escala de gravedad cuántica).

Entonces, para explicar los fenómenos a escalas de energía tan altas, necesitamos la gravedad cuántica. Como ya se señaló en otra respuesta (por Jake Mannix), no es que GR sea inconsistente con la teoría cuántica, sino que GR es una teoría clásica y su unificación con la teoría cuántica nos llevaría a una teoría cuántica de la gravedad.

La gravedad no es realmente incompatible con la mecánica cuántica. Hay algunos problemas que surgen si uno intenta formular la gravedad como se describe en la teoría general de la relatividad de Einstein, en forma de una teoría de campo cuántico relativista invariante en dimensiones (3 + 1). Esta teoría se conoce como relatividad general cuántica perturbativa.

Estos problemas tienen que tratar con la finitud de esta teoría del campo cuántico con energía infinita que se conoce como renormalización de un QFT. El estado de la partícula portadora para el campo del medidor que es una parte integral de esta teoría tampoco está claro. Esta partícula hipotética es gravitón.

Tal como están las cosas ahora, la teoría está enferma en 1 bucle de Feynman si se incluye el campo fuente que consiste en radiación o materia. Está plagado de infinitos en energías mucho más allá de la escala de Planck. Aunque no hay forma de eliminar estos infinitos, si uno formula la teoría como una teoría efectiva, da respuestas finitas a baja energía donde los efectos gravitacionales cuánticos son pequeños. A una energía mucho más baja que la escala de Planck, los términos no renormalizables en la teoría se suprimen en gran medida. Un ejemplo de tal situación es el horizonte del agujero negro donde la curvatura del espacio-tiempo es pequeña.

Consulte mi respuesta a una pregunta anterior sobre quora para obtener más detalles: ¿Es la teoría general de la relatividad incompatible con la mecánica cuántica?

La respuesta simple es que la Relatividad general es un intento fallido y anticuado de describir cómo funciona la gravedad en la naturaleza.

La gravedad a escala atómica es en realidad la mejor descripción del mecanismo de cómo se transmite la fuerza de gravedad.

La comprensión académica obsoleta de la gravedad ha creado un escenario de caos en este campo de investigación.

La navaja de Occam elige los principios de la gravedad atómica sobre todos los demás.

Sigue leyendo y tú eres el juez. Su futuro académico puede depender de la comprensión de los principios.

Resumen de gravedad atómica

Comprender los principios de la gravedad atómica brinda a cualquiera que intente unificar la gravedad y la mecánica cuántica una oportunidad ideal para la investigación innovadora.

La gravedad a escala atómica ocurre todo el tiempo dentro de nosotros y a nuestro alrededor cada día aquí en la tierra y es omnipresente en todo el universo observable.

La naturaleza misma ha seguido un conjunto de principios unificados sin dudas ni dudas durante muchos milenios y es solo recientemente que la ciencia tiene la oportunidad de sacar provecho de lo que la naturaleza ha sabido desde el principio de los tiempos.

Lo más importante es que los principios de la gravedad atómica son el eslabón perdido para unificar las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil) de la naturaleza. Las ciencias naturales (algunos ejemplos son biología, física, astronomía y ciencias de la Tierra) ahora están vinculadas y entendidas bajo un solo paraguas de principios.

Las tres leyes naturales de la gravedad atómica se demuestran en una multitud de conjuntos de datos experimentales existentes y en observaciones actuales y pasadas. Esta correlación entre las leyes de la gravedad atómica y la observación es algo de esperar.

A continuación se muestra un resumen simplificado de los principios establecidos para un fácil aprendizaje.

Tres leyes de “fluctuación gravitacional atómica” (AGF)

AGF 1 (Tipo 1)

Considere un sistema de un planeta y es una luna en órbita.

Factores físicos:

1) La masa total (firma de gravedad (GRS)) de cada estructura.

2) La distancia entre los puntos gravitacionales centrales de cada estructura.

3) La velocidad relativa de cada estructura.

Ahora considere un solo átomo en la superficie del planeta. El núcleo del átomo se desplaza con respecto a su punto central hacia el punto gravitacional central del planeta. A medida que la luna transita sobre el átomo, el núcleo del átomo, contenido dentro de su esfera de electrones, se desplaza y sigue a la luna en relación con su velocidad de tránsito. El ligero desplazamiento del núcleo es relativo a su propio punto central y se aleja del punto central del planeta; hacia el centro de tránsito de la luna, siguiendo el tránsito de la luna y luego volviendo a su posición original antes del tránsito de la luna. Este efecto en el átomo se llama fluctuación gravitacional atómica tipo 1 (AGF 1).

Nota: Durante el tránsito de la luna, la transferencia de energía de la luna al átomo no utiliza fisión nuclear, fusión ni ninguna entrada de energía radiante electromagnética externa. Es una fuerza simple concentrada en cada átomo que dos veces al día mueve millones / billones de toneladas de agua oceánica. La fuerza tampoco rompe el enlace químico de las moléculas de agua con una frecuencia tan baja de fluctuación gravitacional atómica inducida por el tránsito diario de la luna.

La fluctuación gravitacional atómica (AGF 1) que ocurre en cualquier sistema planetario y lunar gravitacionalmente unido interactúa dentro de las restricciones de la estructura de cada cuerpo en órbita individual. La fluctuación del núcleo de cada átomo depende de su posición dentro de la estructura ambiental atómica (AES) de la luna o del cuerpo planetario y las entradas relativas de AGF 1. La interacción es más observable en grandes estructuras de átomos en su estado fluido (dentro de las propiedades químicas o reológicas) dentro del interior, en la superficie o en cualquier atmósfera presente dentro de cada sistema. Los fluidos atmosféricos de gran profundidad relativa demostrarán una reacción del sistema acumulado más robusta a la entrada de energía externa AGF 1. Sistemas como el Sol, Saturno, Júpiter y Neptuno demuestran que esta característica hace de la gravedad atómica un principio unificador en astrofísica.

La fluctuación gravitacional atómica (AGF 1) en cada átomo en la atmósfera, en la superficie o en el interior de un planeta está constantemente influenciada por las alineaciones relativas a su Sol o luna (s) y cualquier sistema planetario adicional o áreas de materia contenidas dentro de su sistema solar. Las observaciones indican que los sistemas solares individuales demuestran la influencia de la interacción de la fluctuación gravitacional atómica (AGF 1) con su agujero negro galáctico central y con todas las otras áreas de gravedad firmadas en la estructura galáctica. AGF 1 demuestra las influencias de largo alcance tanto para los muy pequeños como para los muy grandes.

Nota: El comportamiento de AGF 1 en sistemas unidos gravitacionalmente separados por huecos del espacio induce una frecuencia relativamente baja de AGF dentro de cada átomo, sin embargo, los resultados acumulados son fácilmente observables cuando ocurren dentro de las condiciones correctas de la estructura ambiental atómica (AES), como en nuestros océanos y ambiente. La fuerza de marea es la metáfora utilizada para explicar este tipo de transferencia de energía (AGF 1).

AGF 2 (Tipo 2)

AGF 2 utiliza el mismo principio que ocurre en AGF 1: que al ser el núcleo del átomo se desplaza en relación con su punto central por una entrada de energía cinética localizada. La entrada cinética utilizada para producir AGF 2 en los átomos, puede ocurrir en todas las estructuras de estructura ambiental atómica (AES) gravitacionalmente unidas que existen en un vacío de espacio. AGF 2 es una influencia observable bien entendida que crea una multitud de efectos dentro de la estructura de la Tierra. Las olas producidas al arrojar piedras al agua o el sonido de un pájaro cantando son algunos ejemplos. Actualmente, este proceso se entiende bien y se observa y mide fácilmente. Los experimentos de termometría de gas acústico están haciendo grandes avances en la observación de este principio.

Nota: El comportamiento de AGF 2 dentro de los sistemas de estructura ambiental atómica individual (AES) contenidos por huecos espaciales generalmente induce una frecuencia de rango medio de AGF dentro de cada átomo en el sistema en comparación con AGF 1: la entrada cinética tiende a ser de naturaleza localizada, como haciendo sonar una campana o temblando en el suelo. Las ondas de sonido y las ondas sísmicas son algunas metáforas utilizadas para describir generalmente este tipo de transferencia de energía (AGF 2).

La espectroscopía vibrónica es un método utilizado para estudiar el análisis de energía cinética de las fluctuaciones de energía introducidas en los átomos cuánticos. Las fluctuaciones de energía introducidas por la vibración (energía cinética) al átomo cuántico es equivalente al análisis de la fluctuación gravitacional atómica; tipo 2 (AGF 2).

AGF 3 (Tipo 3)

AGF 3 utiliza el mismo principio que AGF 1: que el núcleo del átomo se desplaza con respecto a su punto central por una entrada cinética inducida en el núcleo por el flujo de electrones. A medida que los electrones fluyen hacia oa través de un sistema de estructura ambiental atómica apropiada, cada átomo ha inducido la introducción de AGF. La tasa de fluctuación de cada núcleo depende de su posición dentro de la estructura ambiental atómica (AES) y de la cantidad relativa de flujo de electrones a través de la estructura. En general, aumentar el flujo de electrones a través de un AES similar también aumentará la energía radiante y las ondas de sonido emitidas. Actualmente, este proceso se entiende bien y se utiliza y controla en muchos productos y sistemas eléctricos. Los efectos de AGF 3 se observan fácilmente en muchos tipos de bombillas y en fenómenos naturales.

Nota: El comportamiento de AGF 3 dentro de los sistemas individuales (AES), generalmente induce una alta frecuencia de AGF dentro de cada átomo en el sistema en comparación con AGF 1, que ocurre tanto de forma natural como por diseño, y está controlado por el flujo de electrones o la entrada de baja densidad de energía de Energía radiante electromagnética (espectro de luz). La entrada de densidad de energía reducida relativa (en comparación con el flujo de electrones) que se produce a partir de la energía radiante electromagnética inducirá una menor intensidad de AGF en el átomo.

La aurora austral y la aurora boreal son ejemplos naturales. El elemento calefactor en una tostadora de cocina es un ejemplo hecho por el hombre. La “excitación” del átomo es la metáfora utilizada para explicar en general este tipo de transferencia de energía (AGF 3).

Nota: la luminiscencia, la fluorescencia, la fosforescencia y la fotoluminiscencia son algunos ejemplos de categorías de AGF 3 que se producen cuando la entrada de densidad de energía más baja interactúa dentro de una estructura ambiental atómica específica (AES).

La espectroscopía de emisión atómica, la espectroscopía de absorción atómica y la espectroscopía de fluorescencia son algunos métodos utilizados para estudiar la emisión o absorción de energía radiante electromagnética iniciada por las fluctuaciones de energía introducidas en los átomos cuánticos. Las fluctuaciones de energía introducidas por el flujo de electrones o las interacciones de energía radiante electromagnética con el átomo cuántico son equivalentes al análisis de la fluctuación gravitacional atómica; tipo 3 (AGF 3).

Diagramas

Los siguientes diagramas ilustran el movimiento del núcleo dentro del átomo debido a AGF. Sin embargo, debe entenderse que es una representación visual del movimiento real, utilizada para una comprensión más fácil del principio, y que no debe usarse como un modelo matemático exacto del comportamiento. La investigación adicional en esta área conducirá a una mejor representación del modelo matemático exacto.

Las siguientes ilustraciones son una representación visual simple de la fluctuación gravitacional atómica en acción. (AGF 1 y AGF 2).

Tres átomos en el espacio profundo (AGF 2)

El núcleo de cada átomo es atraído hacia el centro del sistema.

Tres átomos en la superficie de la Tierra (AGF 2)

El núcleo de cada átomo es atraído hacia el centro de la tierra.

Tres átomos en la superficie de la Tierra dentro de la influencia gravitacional de la Luna (interacción de AGF 1 y AGF 2)

El núcleo de cada átomo es atraído hacia el centro de la luna, junto con la atracción hacia el centro de la tierra.

Tres átomos en la superficie de la Tierra dentro de la influencia gravitacional de la Luna (interacción de AGF 1 y AGF 2)

El núcleo de cada átomo es atraído hacia el centro de la luna, junto con la atracción hacia el centro de la tierra.

Solo átomo en el espacio sin influencia gravitacional externa

El núcleo comparte el punto central de la esfera de electrones del átomo en esta situación hipotética, de un átomo solo en el espacio sin influencia gravitacional externa. La verdad es que AGF 1 llega a todos los átomos dentro de una galaxia y entre estructuras galácticas interactivas gravitacionales.

Nota: La forma de la esfera de electrones de un átomo se altera mínimamente cuando está sola en el espacio. Cuando su gemelo es parte de una estructura ambiental atómica (AES) como una luna, planeta o estrella, la esfera de electrones del gemelo se altera en relación con su posición dentro de esa estructura ambiental atómica (AES). A medida que te acercas a cualquier núcleo, la presión y la temperatura aumentan y la estructura de cada átomo se altera relativamente.

La aplicación de los principios simples anteriores lo lleva a un camino de descubrimiento. Las mareas oceánicas ahora se pueden entender a escala atómica que ya no requieren teorías obsoletas.

Más importante aún, los principios simples se pueden aplicar para ayudar a comprender las observaciones en las atmósferas del sol, Júpiter y Saturno. Mi favorito es aplicar los principios para resolver las tormentas de Neptuno.

Entonces, cuando esté sentado en un salón de clases y le enseñen teorías obsoletas, ahora tendrá la capacidad de innovar y avanzar en el conocimiento y la comprensión del mundo natural.

¡Más combustible para el fuego!

Principio de equivalencia de Einsteins a escala atómica:

Vuelo “CERO-G” a escala atómica

Muchas personas han experimentado la sensación de ingravidez creada en vuelos de cero g dentro de las cabinas de los aviones que viajan a través de la atmósfera terrestre. Sin embargo, la física activa que permite esta sensación en el cuerpo humano ha sido poco entendida. Para comprender lo que está sucediendo a escala atómica se requiere una comprensión de la fluctuación gravitacional atómica (AGF).

Entonces, para obtener una perspectiva, enviemos un átomo en un viaje similar a través de la atmósfera.

La tercera ley de movimiento de Isaac Newton establece: “Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo, el segundo cuerpo ejerce simultáneamente una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta en el primer cuerpo”. Los efectos sobre el átomo en todos los puntos a lo largo del cuerpo. El paseo demuestra una unificación con la tercera ley de movimiento de Isaac Newton.

Los efectos que se muestran en el átomo único que se encuentra en el viaje se pueden aplicar a los muchos átomos que conforman la estructura completa de un cuerpo humano. Estas fluctuaciones atómicas ubicuas en la estructura del cuerpo son compartidas por todas las personas que experimentan aceleración o desaceleración en las actividades cotidianas. La fluctuación gravitacional atómica (AGF) ocurre dentro de parámetros calculables y se ajusta a lo que sentimos durante cada experiencia. Cada átomo que constituye el cuerpo humano típico responde igual que el átomo único que se muestra en su vuelo. Así que suba a bordo y tomemos un viaje a “Zero-G”.

Átomo en el avión estacionado

El átomo se mantiene en el asiento por la fuerza de aceleración de gravedad de la Tierra “G”. El núcleo se mantiene directamente debajo del centro de la esfera de electrones.

Aviones acelerando hacia la atmósfera

El átomo se mantiene en el asiento por la fuerza de aceleración de gravedad de la Tierra “G” junto con la fuerza resultante “B” producida por la aceleración ascendente del avión “A” a la atmósfera. El núcleo toma una posición entre las fuerzas “G” y “B” durante la aceleración hacia arriba.

Aeronave en vuelo nivelado no acelerado

El átomo se mantiene en el asiento por la fuerza de aceleración de gravedad de la Tierra “G”. El núcleo se mantiene directamente debajo del centro de la esfera de electrones. El mismo efecto demostrado por el átomo en el avión estacionado. La única aceleración en juego es la fuerza de aceleración por gravedad de la Tierra “G”

Aeronave acelerando hacia abajo igual a “G”

Los átomos ahora flotan sobre el asiento cuando la fuerza “B” imitada por la aceleración hacia abajo “A” del avión ahora es igual y opuesta a la fuerza de aceleración por gravedad de la Tierra “G” en ese punto de altitud con respecto al punto central gravitacional de la tierra. El núcleo está ahora en el centro de la esfera de electrones. La duración y la suavidad de la experiencia “Zero-G” está determinada por varios factores. Primero, la limitación de la aeronave a su altitud máxima de operación, limita la duración en la experiencia “Cero-G” dentro de los parámetros de vuelo seguro. En segundo lugar, las habilidades del piloto para mantener una aceleración descendente igual a la fuerza de aceleración por gravedad creciente de la Tierra “G” en relación con la disminución de la altitud. Mantener la aceleración apropiada hacia abajo es una maniobra técnicamente difícil que incorpora las habilidades de la aeronave y el piloto. Las habilidades de los pilotos son prominentes en el ciclismo múltiple de esta maniobra sin problemas durante el vuelo.

Estación espacial internacional (ISS): la misma sensación de “Cero G” que se siente durante breves ciclos durante el vuelo de la aeronave se experimenta 24/7 en la ISS. Los núcleos de cada átomo que conforman la estructura del cuerpo humano permanecerán en el centro de la esfera de electrones durante la órbita de la EEI. La distancia cambiante y las velocidades relativas a los puntos gravitacionales centrales de la tierra, la luna y el sol durante su órbita inducen solo fluctuaciones gravitacionales micro atómicas. Los humanos han evolucionado junto con la fuerza de aceleración de gravedad de la Tierra “G”: el cuerpo humano y sus funciones (ojos, músculos, digestión, etc.) fallan rápidamente en “Cero-G” en el espacio (E1).

Generalización AGF

El cuerpo humano consiste en una multitud de estructuras atómicas. Cada átomo está conectado estructuralmente de forma única; sin embargo, cada núcleo reacciona de la misma manera a las aceleraciones externas a escala atómica. Las tres leyes del movimiento de Isaac Newton están unificadas con los principios de la fluctuación gravitacional atómica (AGF).

Cuando viaja en un vehículo y ese vehículo se detiene repentinamente, se produce fluctuación gravitacional atómica (AGF) en toda la estructura del cuerpo. El siguiente diagrama es de un solo átomo, que es parte de la estructura del cuerpo, que se muestra con las fuerzas aceleradoras que actúan sobre él. Este átomo único y su comportamiento se pueden aplicar a la estructura atómica general del cuerpo. Este ejemplo demuestra una desaceleración de frenado que es igual a la aceleración de la fuerza de aceleración por gravedad de la Tierra “G”.

Durante el movimiento hacia adelante no acelerado “M”, el núcleo se mantiene en el punto “A” por la fuerza de aceleración por gravedad de la Tierra “G” – durante una desaceleración suave “D” – antes de detenerse – el núcleo se curva suavemente alrededor del centro de la esfera de electrones para apuntar “B” y luego suavemente curvas en relación con el centro de la esfera de electrones – volver al punto “A” al detenerse. Estos movimientos atómicos ubicuos en la estructura del cuerpo son compartidos por todas las personas que experimentan aceleración o desaceleración en las actividades cotidianas. La fluctuación gravitacional atómica (AGF) ocurre dentro de parámetros calculables y se ajusta a lo que sentimos durante cada experiencia de aceleraciones cambiantes.

Usando este ejemplo en un escenario de equilibrio energético perfecto: el núcleo sigue la curva “C” desde el punto “A” hasta el punto “B” y de regreso al punto “A” – La curva “C” está correlacionada con el cicloide invertido.

La espectroscopia vibrónica es un método utilizado para estudiar el análisis de energía cinética de las fluctuaciones de energía introducidas en los átomos cuánticos. Las fluctuaciones de energía introducidas por la vibración (aceleraciones de energía cinética) en el átomo cuántico es equivalente al análisis de la fluctuación gravitacional atómica; tipo 2 (AGF 2)

La utilización de la espectroscopía vibrónica en relación con diversas entradas de aceleración y en relación con diversos medios de estructura ambiental atómica (AES), luego la tabulación de la información relativa del movimiento AGF 2, conducirá a una mejor comprensión de la curva “c” en todos los escenarios ‘.

Conclusión de la sección

Los efectos ubicuos de la fluctuación gravitacional atómica en cada átomo cuántico aplicado a las estructuras atómicas son necesarios para comprender el mecanismo natural que controla la experiencia de aceleración o desaceleración en las actividades cotidianas. Al dar un paseo en transporte público o en una montaña rusa de un parque de atracciones, un pasajero experimenta fluctuaciones gravitacionales atómicas dentro de la estructura del cuerpo. El transporte público o los efectos de la montaña rusa generalmente ocurren en una rápida sucesión de inmersiones, curvas y paradas en comparación con la aceleración suave requerida para mantener una experiencia de “G” cero extendida en una aeronave. Todos experimentamos y compartimos diariamente los efectos de fluctuación gravitacional a escala atómica. La vida biológica evoluciona y se ajusta a los principios presentados y la vida exitosa en la Tierra ha evolucionado para ser eficaces “seres antigravedad atómicos equilibrados en energía” con respecto a la estructura única de cada especie.

Sobre el Autor

Tim G. Meloche obtuvo una educación formal en Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Ryerson en Toronto, Canadá (1983). Tim es un erudito en el estudio de descubrimientos nuevos y pasados ​​realizados a través de observaciones y análisis experimentales por muchos a lo largo de la historia. Se ha utilizado toda una vida combinando ambos paradigmas educativos en la búsqueda de resolver los problemas modernos de la física. A través del tiempo y la educación continua, Tim trabajó para formular principios de interacciones energía-materia que estén en armonía con el análisis experimental y observacional. Sus esfuerzos han llevado a un método científico unificado para un mejor análisis y comprensión de la física tanto a escala atómica como astronómica. Continúa la búsqueda de un mayor conocimiento y de traer los “Principios Unificados de Física y Naturaleza” a los académicos para que todos lo comprendan y se beneficien.

El resumen anterior de los principios del vuelo cero ‘G ”a escala atómica se detalla más específicamente en una serie de tres libros que muestra soluciones simples para la física unificada y la materia oscura y la energía oscura, todo basado en conjuntos de datos observacionales y experimentales existentes. Con tantos intereses creados en los círculos académicos actuales, el desafío de innovar y descubrir se pasa a aquellos que buscan soluciones fuera de la caja académica. FYI … la publicación de 2014 es solo 99 centavos y en mi opinión es el lugar para comenzar.

Publicaciones pasadas

Principios Unificados de Física y Naturaleza; Fluctuación de energía en átomos cuánticos, agujeros negros, estrellas, gravedad, junio de 2014

Principios Unificados de Física; Agujeros Negros, Estructura Galáctica, Gravedad y Materia Oscura Diciembre 2013

¿Qué causa la gravedad y qué causa el universo en expansión? Diciembre de 2012

Un pequeño problema, que no creo que nadie más haya mencionado, es que existe una dificultad conceptual para integrar incluso la Relatividad Especial con QM. QM consta de dos partes: una ecuación de evolución (Schrodinger, Dirac, …) que es continua y reversible, y una “medición” o “colapso de la función de onda” que es discontinua e irreversible. (En 1932, Von Neumann señaló que esto es algo contradictorio, ya que el colapso no puede seguir la ecuación de evolución que se supone que deben seguir todas las cosas. Esto se conoce en QM como “el problema de medición”. 84 años después, nosotros todavía no lo he resuelto por completo).

La mayoría de las interpretaciones de QM dicen que el colapso ocurre instantáneamente y simultáneamente en todo el espacio y el tiempo (incluso si, por ejemplo, partes de un sistema enredado están separadas por años luz). Pero SR dice que esto es imposible, tanto porque ninguna señal puede viajar más rápido que la luz, Y porque lo que es simultáneo en el marco de referencia de un observador no es simultáneo a otro observador que se mueve en relación con el primero. No es difícil hacer que una ecuación de evolución sea invariante de Lorentz, pero parece inherentemente imposible hacer esto con el colapso.

Hay varias formas de atacar este problema, pero no creo que tengamos una respuesta única y ampliamente aceptada.

SI COMBINAMOS LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL Y LA MECÁNICA CUÁNTICA, ¡FORMARÁ LA TEORÍA DE TODO!

La mecánica cuántica (QM) y la relatividad son 100% precisas, en la medida en que hemos podido medir (y nuestras mediciones son muy, muy buenas). La incompatibilidad aparece cuando los efectos QM y los efectos relativistas son lo suficientemente grandes como para ser detectados y luego no están de acuerdo. Esta condición es estrictamente teórica hoy, pero en los próximos años nuestras observaciones de Sagitario A *, y en el CERN deberían enfocar los problemas entre QM y la relatividad.

La relatividad viene en dos sabores: especial y general. La relatividad especial describe cómo el movimiento afecta el tiempo y la distancia (especialmente el movimiento rápido), y reemplaza la mecánica newtoniana, que solo es precisa a bajas velocidades. A Einstein se le ocurrió al observar las repercusiones matemáticas del hecho de que toda la física funciona de la misma manera, independientemente del movimiento (la velocidad constante es igual a la ausencia de velocidad). La relatividad especial se ha probado exhaustivamente (los efectos relativistas se han verificado hasta la velocidad de marcha), y funciona tan perfectamente que ahora se sostiene como el criterio contra el cual se prueban todas las nuevas teorías. De hecho, QM haría predicciones extremadamente inexactas si Dirac no hubiera aparecido y vinculado QM junto con una relatividad especial para crear “QM relativista”.

La relatividad general, por otro lado, describe el estiramiento y la flexión del espacio y el tiempo por gravedad. Einstein se le ocurrió cuando pensó en cómo sería el universo si la aceleración inercial y gravitacional fuera la misma (resulta que lo son). Por cierto: la aceleración gravitacional es lo que te empuja hacia el suelo, y la aceleración inercial es lo que te empuja hacia el asiento del automóvil cuando pisas el acelerador. Es la relatividad general la que causa los problemas. Aquí hay dos (de un posible no contado muchos):

1) Suave versus grueso: la relatividad general necesita espacio para ser “suave”, o al menos continuo. Entonces, si tiene dos puntos uno al lado del otro, no importa cuán cerca los junte, aún puede saber cuál está a la derecha o a la izquierda. La mecánica cuántica tiene que lidiar con la incertidumbre de la posición. A escalas muy pequeñas no se puede decir cuál es el derecho o el izquierdo. Además (como su nombre lo indica), QM requiere que todo se “cuantice” o se muestre en partes discretas. Puedes ver esto claramente con átomos, fotones e incluso fonones (¡que es sonido cuantificado! ¡¿Qué increíble es eso ?!). Menos clara es la cuantización del espacio, que requeriría espacio para ser “cortado”. Esta agitación nunca se medirá directamente. La “escala gruesa” predicha no debe ser mayor de 10

-35

metro. A modo de comparación, un átomo de hidrógeno es aproximadamente un millón, millones, millones, millones de veces más grande (10-24).

2) La paradoja de la información: según la relatividad general, cuando las cosas caen en un agujero negro, todo lo relacionado con su existencia (con la excepción de la masa, la carga y el impulso) se borra por completo. Eso no suena tan mal. Tendemos a pensar que los agujeros negros son como trituradores de basura galácticos. Sin embargo, si se destruye toda la información sobre algo, entonces pierde la reversibilidad de tiempo. La inversión de tiempo es la idea de que si ejecutas el tiempo al revés, todas las leyes físicas básicas del universo continuarán funcionando igual. Más oscuramente, puede predecir el futuro en función de lo que sabe ahora, y la inversión del tiempo significa que también puede deducir lo que sucedió en el pasado. QM requiere que la reversibilidad en el tiempo (o “unitaridad”, para un profesional) se mantenga. Entonces, QM requiere que los agujeros negros no puedan destruir la información. Una forma de evitar esto es un enredo increíblemente complicado entre toda la materia que cae y toda la Radiación de Hawking que sale más tarde. Nuevamente, nunca podremos medir esto. Para obtener resultados, tendríamos que medir exactamente al menos la mitad de todos los fotones generados por la radiación de Hawking durante el tiempo de vida esencialmente infinito del agujero negro (cada agujero negro que existe hoy existirá mucho, mucho después de la muerte por calor del universo) .

Sí, se pueden combinar en una teoría de la gravedad cuántica que reproduce la mecánica cuántica y la relatividad general en los límites apropiados. Cómo sabemos esto? Hay dos razones

En primer lugar tenemos la teoría de las supercuerdas. Esta es una teoría matemática que describe una combinación de relatividad general y mecánica cuántica. Todavía no sabemos la mejor manera de formularlo y no sabemos con certeza si es el marco matemático correcto para describir nuestro universo, pero sí sabemos que combina los principios de la mecánica cuántica y la relatividad general, por lo que todavía proporciona una respuesta positiva a esta pregunta. Incluso si solo es correcto en las dimensiones superiores, aún podemos decir que combina QM y GR con éxito en el espacio dimensional superior.

En segundo lugar, el universo funciona. Tanto la mecánica cuántica como la relatividad general se han verificado empíricamente mediante observación con un alto grado de precisión y certeza dentro de las escalas de medición donde esperamos que funcionen. Cualquiera sea la teoría correcta de cómo funciona el universo, por lo tanto, debe ser una combinación exitosa de la mecánica cuántica y la relatividad general, incluso si estas son solo muy buenas aproximaciones a la respuesta completa. El hecho de que el universo esté aquí significa que se puede hacer.

Si podemos encontrar y comprender completamente esa combinación es otra cuestión. Creo que dado el progreso que hemos logrado en las teorías de la gravedad cuántica, incluida la teoría de cuerdas y otros enfoques, hay buenas razones para creer que eventualmente llegaremos allí.

Hay una respuesta muy simple: la mecánica cuántica requiere un fondo cósmico en el que operan las partículas, pero dicho fondo es completamente imposible en la relatividad.

Hoy en día, la teoría cuántica requiere dos antecedentes, uno es un mar universal de ‘partículas virtuales’ que aparecen y desaparecen tan rápidamente (con su acción menos que Planks constante) que no pueden medirse directamente, pero que tienen profundos efectos en las interacciones cuánticas. Son necesarios para los diagramas de Feynman, por ejemplo. El otro fondo cuántico universal es el campo de Higgs, que se mueve a través del cual da masa a las partículas.

La relatividad (tanto especial como general) requiere absolutamente que no haya antecedentes, ni “teatro fijo” en el que se muevan las partículas: todo debe describirse como relativo al observador. Esto es cierto en la medida en que diferentes observadores verán eventos que suceden a veces en diferentes órdenes, el Observador 1 ve A antes que B y el Observador 2 ve B antes que A. Destruiría todo el sistema si hubiera un ‘fondo’ privilegiado del cual un ‘ Se podría decidir el orden correcto.

Sospecho que solo será cuando la gente levante la cabeza, como lo hizo Einstein, para ver los problemas fuera de las matemáticas y al mentir los supuestos o las visiones del mundo de las teorías, que se encontrará la solución

Quiero mencionar una preocupación de no normalización sobre la reconciliación de la mecánica cuántica y la relatividad general. Es una preocupación que ya surge con la Relatividad Especial. Es una pregunta sutil sobre si el colapso de la función de onda, en QM, es compatible con la falta de simultaneidad absoluta en SR.

La razón por la cual esta pregunta es sutil es porque hay diferentes formas de entender exactamente lo que requiere la “falta de simultaneidad absoluta”. Por un lado, podría pensar que requiere que no haya interacción causal entre eventos separados similares al espacio. ¿Por qué? Aquí está el argumento:

  1. Si dos eventos A y B interactúan causalmente, entonces existe un hecho absoluto sobre cuál es el evento anterior, la causa, y cuál el evento posterior, el efecto.
  2. La causalidad no local implica la interacción causal entre eventos separados similares al espacio.
  3. Entonces, de 1 y 2, la causalidad no local implica que existe un hecho absoluto en cuanto a cuál de los dos eventos separados en forma de espacio es el anterior y cuál es el posterior
  4. Si SR es correcto, y no hay simultaneidad absoluta, entonces no hay un hecho absoluto en cuanto a cuál de los dos eventos separados en forma de espacio es anterior y cuál es posterior.
  5. Por lo tanto, de 3 y 4: si SR es correcta, toda la causalidad es no local.

Si es así, entonces la Relatividad es definitivamente incompatible con QM; El colapso de la función de onda, como lo describe QM, requiere una causalidad no local. Eso es lo que muestran las Desigualdades de Bell.

Sin embargo, hay espacio para rechazar la premisa 1 anterior. Puede pensar que algo más débil es cierto: que la interacción causal entre dos eventos debe ser * Lorentz invariante *, como se le llama. La mayoría de los casos de causalidad no local que es probable que imagines, utilizo mi mente para levitar algo en la luna, por ejemplo, no son invariantes de Lorentz. Pero el colapso de la función de onda * es * invariante en Lorentz. Entonces, podría decirse que la relatividad especial es compatible con ella después de todo.

Las cosas son realmente más complicadas de lo que sugiere lo anterior; hay un excelente libro sobre esto de Tim Maudlin llamado * No-localidad cuántica y relatividad *. Usted deberia comprobar esto.

En mi respuesta a ¿Cómo explicarían los físicos de Quora su investigación a otros quoranes? Traté de explicar en términos simples por qué necesitamos una teoría de la gravedad cuántica (QG), es decir, una unificación de la mecánica cuántica (QM) con la relatividad general (GR). Aquí trataré de explicar, también en términos simples, por qué es difícil lograr tal unificación.

Un concepto central en QM es la cuantización . Este es el proceso en el que tomas una teoría clásica y “la haces cuántica”. Básicamente implica convertir los observables en su sistema (posición, momento, energía, etc.), que en la teoría clásica son solo números, en operadores que actúan sobre estados cuánticos . Los valores de los observables son entonces los valores esperados de los operadores correspondientes con respecto al estado cuántico del sistema.

Vea mi respuesta a En términos simples, ¿qué es un estado cuántico? para más información sobre operadores y estados cuánticos.

Sin entrar en los detalles matemáticos, este proceso de cuantificación es responsable de todos los fenómenos cuánticos , como la incertidumbre y el enredo, que no formaban parte del sistema clásico antes de la cuantización.

Todo esto funciona muy bien (de hecho, extremadamente bien) cuando su sistema no es relativista . Con eso quiero decir, en términos simplistas, que no hay demasiada energía involucrada y que todo se mueve a velocidades mucho más pequeñas que la velocidad de la luz.

Sin embargo, resulta que este tipo de cuantización simplemente no funciona cuando su sistema es relativista. Entonces, para describir las partículas elementales, que generalmente se mueven muy rápido y se producen a muy altas energías, los físicos necesitaban unificar QM con Relatividad Especial (SR). El resultado de esa unificación se llama Quantum Field Theory (QFT).

QFT es la cuantización de campos , en lugar de partículas. Esto permite, por ejemplo, escenarios en los que se crean o destruyen partículas, lo que no es posible en QM no relativista pero que SR predice. Vea mi respuesta a ¿Cuál es la relación entre una partícula y un campo? para más información.

El Modelo Estándar (SM) utiliza el formalismo de QFT para describir, con un increíble grado de precisión, las 3 interacciones fundamentales: electromagnetismo, la interacción fuerte y la interacción débil. Estas interacciones se describen por campos (el término técnico es campos de indicador ). La materia (electrones, quarks, etc.) también se describe por campos, y el SM explica las interacciones fundamentales como acoplamientos entre los diferentes campos. “Acoplamiento” es principalmente un nombre elegante para “interacción”. Cuando dos (o más) campos están acoplados entre sí, pueden interactuar entre sí.

GR describe la cuarta interacción fundamental, que es la gravedad. ¡Sucede que GR también es una teoría de campo! Describe el comportamiento de un campo muy especial, la métrica , que es responsable de la curvatura del espacio-tiempo. Esta curvatura es lo que interpretamos como gravedad, pero es mucho más que eso. Las partículas masivas interactúan entre sí mediante la gravedad, pero incluso las partículas sin masa interactúan con la curvatura del espacio-tiempo.

Para describir la interacción, necesitamos, lo adivinó, acoplar todos los demás campos del SM al campo métrico. Sin embargo, aquí radica el problema central: mientras que el SM es una teoría de campo cuántico, GR es una teoría de campo clásica.

La solución parece casi trivial: ¡cuantifiquemos GR! Si pudiéramos tomar el campo métrico de GR y realizar el proceso habitual de cuantización en él, tendríamos una teoría cuántica completa de las 4 interacciones fundamentales.

Esto puede, de hecho, hacerse. La gravedad puede ser cuantificada. El problema es que una cuantización “ingenua” de la gravedad da como resultado una teoría que se descompone completamente a altas energías. Esto está relacionado con un concepto llamado renormalización . En términos generales, cualquier QFT tiene algunos parámetros que deben medirse experimentalmente. Sin conocer estos parámetros, todos los cálculos producen resultados sin sentido.

Ahora, al cuantificar el campo electromagnético, por ejemplo, encontramos que solo hay un pequeño número de tales parámetros, y es bastante sencillo medirlos e insertarlos en la teoría para hacer predicciones adicionales.

Sin embargo, al cuantificar la gravedad, encontramos que necesitamos establecer un número infinito de tales parámetros antes de que la teoría tenga sentido. Esto es, por supuesto, imposible, obviamente en la práctica, pero incluso en principio. Entonces decimos que la gravedad no es renormalizable . Podemos cuantificarlo, pero no podemos producir resultados significativos de la teoría cuántica resultante.

Dije antes que la teoría se rompe a altas energías. Probablemente se esté preguntando, ¿qué tiene esto que ver con la renormalización? Bueno, más o menos hablando, el número de parámetros de renormalización depende de la energía a la que se considera la teoría. A energías muy bajas, solo tenemos GR estándar y los parámetros de renormalización pueden descuidarse. Pero las altas energías son lo que realmente nos importa, y con estas energías, no podemos descuidar los parámetros de renormalización.

Por lo tanto, GR “ingenuamente cuantificado” es prácticamente inútil. Una buena teoría de QG tiene que tener sentido a altas energías, especialmente porque queremos usarla para estudiar escenarios de muy alta energía, como los agujeros negros y el Big Bang.

¿Cómo resolver este problema? Hay muchos enfoques diferentes. La mayoría de ellos implican modificar QM y / o GR de alguna manera tal que la gravedad se renormalice.

Finalmente, aparte del problema técnico de la renormalización, existe el problema más conceptual de cómo tratar el espacio-tiempo en sí mismo dentro del formalismo de una teoría QG.

Realmente entendemos QM y QFT como teorías en las cuales las partículas o campos interactúan en un “patio de recreo” dado, es decir, un espacio-tiempo de fondo fijo. No necesariamente tiene que ser plano, pero debe ser fijo (sin cambios), y no puede interactuar de ninguna manera con los campos en el “primer plano”.

Por el contrario, la idea fundamental detrás de GR es que el espacio-tiempo es una entidad física dinámica y en constante cambio, que no solo influye en el movimiento de partículas o campos que se mueven dentro de él, sino que también es influenciado por ellas. El espacio-tiempo ya no es solo un “fondo”; Es un campo dinámico e interactivo, como cualquier otro campo.

Conciliar estas dos descripciones muy diferentes del espacio-tiempo en QM y en GR es algo que cualquier teoría de QG debe poder hacer. Sin embargo, si queremos tratar el espacio-tiempo como un campo cuántico, entonces necesitamos cuantificar el espacio-tiempo mismo, y aún no tenemos una comprensión conceptual completa de lo que esto significa.

La mecánica de qunatum divide todo en cuantos y las partículas cuánticas para la gravedad son el esquivo Gravitón.

gravitones

La detección inequívoca de gravitones individuales, aunque no está prohibida por ninguna ley fundamental, es imposible con cualquier detector físicamente razonable. La razón es la sección transversal extremadamente baja para la interacción de los gravitones con la materia. Por ejemplo, un detector con la masa de Júpiter y 100% de eficiencia, colocado en órbita cercana alrededor de una estrella de neutrones, solo se esperaría que observe un gravitón cada 10 años, incluso en las condiciones más favorables. Sería imposible discriminar estos eventos del fondo de los neutrinos, ya que las dimensiones del escudo de neutrinos requerido garantizarían el colapso en un agujero negro. Sin embargo, los experimentos para detectar ondas gravitacionales, que pueden verse como un estado coherente de muchos gravitones, son en curso (como LIGO y VIRGO). Aunque estos experimentos no pueden detectar gravitones individuales, pueden proporcionar información sobre ciertas propiedades del gravitón.

Por ejemplo, si se observara que las ondas gravitatorias se propagan más lentamente que c (la velocidad de la luz en el vacío), eso implicaría que el gravitón tiene masa (sin embargo, las ondas gravitacionales deben propagarse más lentamente que “c” en una región con un valor distinto de cero densidad de masa si han de ser detectables).

Las observaciones astronómicas de la cinemática de las galaxias, especialmente el problema de rotación de galaxias y la dinámica newtoniana modificada, podrían apuntar hacia gravitones que tienen una masa distinta de cero

La mayoría de las teorías que contienen gravitones sufren problemas graves. Los intentos de extender el Modelo Estándar u otras teorías de campo cuántico agregando gravitones se encuentran con serias dificultades teóricas a altas energías (procesos que involucran energías cercanas o superiores a la Escala de Planck) debido a los infinitos que surgen debido a los efectos cuánticos (en términos técnicos, la gravitación no es irreormalizable). Dado que la relatividad general clásica y la mecánica cuántica parecen ser incompatibles con tales energías, desde un punto de vista teórico, esta situación no es sostenible. Una posible solución es reemplazar las partículas con cuerdas. Las teorías de cuerdas son teorías cuánticas de la gravedad en el sentido de que se reducen a la relatividad general clásica más la teoría de campo a bajas energías, pero son completamente mecánicas cuánticas, contienen un gravitón y se cree que son matemáticamente consistentes

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