Ha habido algunas respuestas a esta pregunta que están muy lejos de la ortodoxia física. Si bien no hay nada intrínsecamente malo en las ideas poco ortodoxas, creo que presentarlas a personas que explícitamente no entienden la ortodoxia y que implícitamente no han trabajado con el marco conceptual circundante es mucho falso y engañoso. Como tal, estoy nervioso por agregar algunas de las respuestas menos comunes dadas desde la comprensión general de este problema, dadas mis credenciales estrictamente limitadas. Sin embargo, me parece decepcionante que a la mayoría de los legos no se les dé la oportunidad de pensar en esto, por lo que les daré y citaré a los físicos y documentos que me los presentaron cuando sea posible.
1 – vacío inconsistente
El procedimiento básico en QFT tanto en la práctica como, en cierta medida, conceptualmente es comenzar con un estado de vacío de energía mínima y luego describir las partículas como perturbaciones alrededor de ese vacío. Hay algunas sutilezas en esto. Algunos campos tienen una ‘falsa aspiradora’ que minimiza localmente la energía (todos los pequeños cambios en el estado aumentan la energía) pero no minimiza globalmente la energía (existen estados de menor energía) por lo que el vínculo entre el campo y la partícula es ligeramente más sutil, ya que normalmente el campo lo hará. ser distinto de cero en ausencia de partículas. El ejemplo clásico de esto es el bosón de Higgs, y la transición del campo de Higgs del vacío falso al verdadero rompió la simetría de electroválvula, dio masa a muchas partículas y, en general, configuró el universo como es hoy. Del mismo modo, este enfoque perturbativo no funciona para algunos sistemas, como los sistemas con estructuras topológicas (instantones) que no se pueden agregar y eliminar mediante cambios continuos de pequeñas cantidades de energía, o sistemas extremadamente acoplados como los protones, pero entendemos de los dos en la actualidad todavía se basa en minimizar, perturbar, etc. la energía y, por lo tanto, sufren versiones relacionadas del siguiente problema
El problema, entonces, es que en la relatividad general es imposible definir inequívocamente un vacío, que mata muchos de nuestros métodos y conceptos existentes para campos cuánticos y hace que su interpretación sea extremadamente difícil. Por ejemplo, diferentes observadores no estarán de acuerdo en cuanto a si un sistema dado contiene partículas. Ha habido trabajo para superar esto, pero es un problema conceptual muy profundo. Si está interesado en obtener más información, consulte, por ejemplo, el último capítulo del excelente ‘Spacetime and Geometry’ de Saun Carrol
(La razón precisa por la que se rompe el vacío está matizada, pero el problema esencial es la falta de una dirección universalmente similar al tiempo. Por supuesto, el problema opuesto existe en ausencia de gravedad, como lo predice la relatividad especial, por lo que hay muchos posibles opciones de dirección similar al tiempo, pero estas pueden intercambiarse con simples transformaciones lineales y, en cierto sentido, son ‘similares’. En particular, un vacío wrt uno es un vacío wrt todo).
2 – el problema de la escala
La relatividad general se basa en la idea de que la gravedad local es indistinguible de la aceleración, por lo que al deshacer la aceleración siempre se puede encontrar un marco de referencia que ignora localmente la gravedad. En otras palabras, la relatividad general se basa en la suposición de que a pequeñas escalas el universo es ‘plano’ (no tiene gravedad; la física es más simple) y las escalas más grandes se pueden negociar comparando el comportamiento a pequeña escala en diferentes puntos. Por otro lado, la teoría del campo cuántico supone que el comportamiento a gran escala y baja energía es simple, ya que todo el material desordenado se promedia y las partículas se vuelven demasiado separadas para interactuar o demasiado confinadas para causar algún problema, y que cuanto más complicado sea El comportamiento a escala puede tratarse como perturbaciones o desviaciones de este comportamiento a gran escala. La relatividad evita que el comportamiento a gran escala sea simple al introducir una curvatura que evita que la física en diferentes puntos del espacio-tiempo se compare directamente. La teoría del campo cuántico, por otro lado, atribuye alta energía a escalas pequeñas, que las ecuaciones de campo de Einstein luego convierten en alta curvatura, de modo que las escalas pequeñas no pueden tratarse como planas. No conozco ninguna fuente que discuta este problema directamente, pero creo que fue mencionado por Feynman en Six Not-So Easy Pieces y creo que también está relacionado con la no renormalización mencionada en otras respuestas.
3 – problemas de dispersión
La herramienta experimental básica, tanto literal como experimental, de la teoría cuántica de campos es la dispersión: arrojar dos partículas de alta energía entre sí para que puedan interactuar rápidamente y ver qué sucede. ¿Emiten luz, se aniquilan entre sí, giran, arrojan enormes chorros de otras partículas? Históricamente, se ha investigado la nueva física mediante el uso de energías más altas, por lo que se pueden producir más partículas para las interacciones y se pueden explorar escalas más pequeñas. Por un lado, los efectos gravitacionales son extremadamente difíciles de detectar por debajo de energías extremadamente altas y nunca se han observado en ningún experimento de física de partículas que hayamos podido realizar todavía. Por otro lado, los experimentos gravitacionales de muy alta energía son realmente fáciles de predecir: todo se derrumba en un agujero negro. La pregunta incluso de qué preguntas hacer sobre una teoría cuántica de la gravedad requiere, por lo tanto, proponer mejores preguntas para los campos cuánticos en ausencia de gravedad.
4 – información y horizontes
Este es un punto muy sutil y solo mencionaré brevemente. Sin embargo, puede ver la siguiente conferencia si está interesado, o innumerables conferencias y documentos similares que discuten ideas similares.
Esencialmente, para que todas las probabilidades se sumen a un campo cuántico, la teoría supone que la información siempre se conserva. Por otro lado, el contenido de un agujero negro no se puede descubrir, por lo que cualquier información que pase por el horizonte de eventos de los agujeros negros se pierde en el mundo exterior. Para empeorar las cosas, la relatividad general supone que no ocurre nada notable (por ejemplo, la radiación de Hawking que señala el contenido) en el horizonte de eventos, porque, como mencioné anteriormente, incluso cerca del horizonte, se supone que el espacio-tiempo es plano localmente en una escala lo suficientemente pequeña. Qué hacer con esto es una pregunta muy complicada
5 – singularidades desnudas
Para mantener la relatividad general determinista, el físico Roger Penrose propone que cada ‘singularidad’, donde la gravedad se vuelve infinita y la relatividad general se rompe, está directamente oculta del resto del universo por los ‘horizontes de eventos’. Por ejemplo, en los agujeros negros, la física cuántica ocurre en el horizonte de eventos, lo que significa que ninguna información cercana a la singularidad puede escapar al mundo exterior. Si este no fuera el caso, la relatividad general no podría predecir el futuro con base en los datos actuales en un sistema que contiene una singularidad (que según los teoremas de Penrose-Hawking es casi todos ellos, eventualmente) ya que la relatividad general no puede predecir el comportamiento de singularidades. Como es, debido a que ninguna información puede cruzar el horizonte, el contenido del horizonte no puede afectar el comportamiento del exterior y, por lo tanto, la singularidad supuestamente no determinista no puede romper el determinismo del universo observable.
Obviamente, la conjetura no es necesariamente tan importante para una teoría cuantificada de la gravedad que con suerte eliminaría las singularidades (o, en el caso de la gravedad cuántica del bucle, haría que su comportamiento sea predecible), pero parece mantenerse. Además, el horizonte está típicamente a una gran distancia de la singularidad y, por lo tanto, no puede ser un fenómeno cuántico. Tal como están las cosas, cada fuente de comportamiento gravitatorio cuántico en el universo conocido está oculta para nosotros. La pregunta de qué significan estos horizontes es extraña e interesante, y también tiene implicaciones experimentales bastante serias: si hiciéramos un experimento de gravedad cuántica, ¿los resultados simplemente estarían ocultos por un horizonte similar? Si es así, ¿por qué?
Si tiene confianza física y matemática, considere revisar la introducción de las notas de la conferencia de David Tong sobre la teoría de cuerdas, que discute los problemas con la gravedad cuántica y las motivaciones conectadas detrás de la teoría de cuerdas. Puede encontrarlos en el sitio web de Cambridge; Todas sus notas son excelentes y muy recomendables.
