¿Cuál es la necesidad de una teoría que use partículas llamadas gravitones? ¿La relatividad general de Einstein no explica suficientemente bien la idea de la gravedad?

Maldita sea buena pregunta.

Permítanme escribir primero una ecuación que es el mayor logro de Einstein (y no, no es [matemáticas] E = mc ^ 2 [/ matemáticas]):

[matemáticas] R _ {\ mu \ nu} – \ dfrac {1} {2} g _ {\ mu \ nu} R = 8 \ pi GT _ {\ mu \ nu}. [/ matemáticas]

Sin entrar en detalles, la esencia de esta ecuación es que la geometría del espacio-tiempo, representada por el lado izquierdo, está determinada por el impulso-energía-momento de la materia, representado por el lado derecho y viceversa. Como dijo una vez Wheeler, “el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse “.

Ingrese la mecánica cuántica, o más bien, la teoría cuántica de campos en forma del Modelo Estándar de física de partículas: una teoría de toda la materia y todas las interacciones, excepto la gravedad. (Es decir, una teoría de casi todo.) Cambia la ecuación anterior de una manera muy sutil:

[matemáticas] R _ {\ mu \ nu} – \ dfrac {1} {2} g _ {\ mu \ nu} R = 8 \ pi G \ hat {T} _ {\ mu \ nu}. [/ math]

Tenga en cuenta la diferencia: ese pequeño sombrero en la parte superior de [matemáticas] T [/ matemáticas] en el lado derecho.

Lo que significa es que el impulso-energía-impulso ya no está representado por un número, como en la física clásica. Ahora está representado por un operador de mecánica cuántica (o, como Dirac llamó a estas cantidades, un número q ). En resumen, nuestra ecuación ahora lee

número = no número.

Esto claramente no puede ser. Es como preguntar cuántas manzanas equivalen a una naranja.

La sabiduría generalmente aceptada es que el problema con esta ecuación está en el lado izquierdo. Es decir, el problema es que usamos números para representar la geometría del espacio-tiempo, en lugar de desarrollar una teoría cuántica adecuada del espacio-tiempo, es decir, la gravedad cuántica. Pero hemos fallado miserablemente en esta tarea: muchos lo intentaron, pero nadie realmente logró crear una teoría cuántica de la gravedad cuánticamente funcional y autoconsistente.

Eso sí, hay otra manera. Aquí hay otra versión de la ecuación de campo de Einstein:

[matemáticas] R _ {\ mu \ nu} – \ dfrac {1} {2} g _ {\ mu \ nu} R = 8 \ pi G \ langle T _ {\ mu \ nu} \ rangle. [/ matemáticas]

Los corchetes angulares en el lado derecho representan el llamado valor esperado de un operador de mecánica cuántica. Este valor de expectativa es un número, así que todo está bien: ahora que hay números ordinarios en ambos lados de la ecuación, podemos seguir resolviéndolo. Esta variación tiene un nombre: se llama gravedad semiclásica .

Y adivina qué: funciona. Es decir, con la excepción del universo primitivo extremo y la proximidad inmediata de la singularidad en el interior del horizonte de eventos de un agujero negro, la gravedad semiclásica es más que suficiente para describir la naturaleza.

Entonces, ¿por qué molestarse con la gravedad cuántica? Para empezar, la gravedad semiclásica es profundamente insatisfactoria para la mayoría de los teóricos: los corchetes angulares se colocan “a mano” sin otra justificación teórica que el hecho de que “funciona y somos demasiado tontos para mejorar”. También es conceptualmente problemático: básicamente dice que a pesar de que no sabemos, digamos, la ubicación real de un electrón, de alguna manera el campo gravitacional del electrón sí lo hace, actuando como si la ubicación del electrón fuera su valor esperado.

Sin embargo, la idea de que la gravedad después de todo puede ser clásica no ha sido abandonada. Un buen ejemplo es la gravedad entrópica, que considera la gravedad como un fenómeno emergente, fundamentalmente clásico, relacionado con la termodinámica y la física estadística.

Comenzaré mi respuesta con una cita del comentario de Viktor T. Toth que escribió “… la idea de que la gravedad después de todo puede ser clásica no ha sido abandonada”.

Algunos físicos creen que al combinar la relatividad general y la mecánica cuántica, los problemas de física modernos pueden resolverse y las preguntas sin respuesta serán respondidas.

Sin embargo, en todos estos esfuerzos, la física clásica ha sido ignorada, mientras que la naturaleza es única y todos los fenómenos físicos, tanto los microscópicos como los macroscópicos, obedecen la misma ley. Por lo tanto, para resolver los problemas de la física contemporánea, los conceptos básicos y las relaciones de la física deben ser la base de la mecánica clásica que debe revisarse y analizarse. Luego, tenemos que combinar estas tres teorías de la mecánica clásica, la mecánica cuántica y la relatividad para llegar a una física única. Finalmente, al responder las preguntas sin respuesta, se resolverán los problemas de física.

A pesar de publicar muchos artículos sobre gravitón, no se ha realizado ningún trabajo considerable sobre el mecanismo de intercambio de gravitón entre cuerpos / partículas. La razón es que la antigua definición de gravitón en la física moderna no puede describir este mecanismo y también es imposible obtener la teoría de la gravedad cuántica.

Para comprender y describir el mecanismo de producción y rendimiento de los bosones portadores de fuerza, especialmente el gravitón, necesitamos reconsiderar la fuerza y ​​la energía. Los lados izquierdos de la segunda relativista de Newton F = dp / dt y las ecuaciones de equivalencia masa-energía E = mc ^ 2, que con un nuevo enfoque de F y E. Nos lleva a redefinir el gravitón, porque la antigua definición de gravitón no es capaz de Resolver el problema de la gravedad cuántica.

Una nueva definición de Graviton

Además, durante mucho tiempo parecía que la ecuación de Friedmann podía explicar el universo, pero en los últimos años, la constante cosmológica fue de interés para los cosmólogos. Sin embargo, estas dos ecuaciones no pueden explicarse antes del Big Bang. Por lo tanto, desde un nuevo enfoque, podemos redifinar la singularidad del espacio-tiempo y revisar la ecuación de Friedman que viene dada por:

El lado derecho de la ecuación de Friedman, ha dado espacio-tiempo real y se usa para después del Big Bang, porque k determinó las propiedades geométricas del espacio-tiempo yc es la velocidad de la luz en el vacío es constante, pero dado que el La velocidad de la luz no es constante en el campo gravitacional y es cero para la superficie y dentro de un agujero negro absoluto. Entonces, si queremos resolver la ecuación de Friedmann para el agujero negro absoluto, debemos considerar la velocidad de la luz a cero y la ecuación se convierte en la siguiente:

Suponiendo (lo cual es una suposición razonable porque la noción de que, si el universo colapsa, no desaparecerá el volumen y no es razonable que el universo se haya creado de la nada). Además, debido a la gran explosión, la segunda ley de Newton contrasta con la ley de la ley gravitacional, en esta confrontación, la segunda ley de Newton y la ley gravitacional universal se neutralizan. Para más detalles ver:

Revisión adaptativa de tres preguntas fundamentales en física

Podrías preguntar lo mismo sobre las ecuaciones y el electromagnetismo de Maxwell. Las ecuaciones de Maxwell nos dan una explicación bastante buena del electromagnetismo, pero no explican los hechos de la física cuántica como el efecto fotoeléctrico. La física cuántica sugiere que la relatividad general no es del todo correcta. Si una partícula se encuentra en una ubicación indeterminada, ¿qué tipo de campo gravitacional ejerce? Probablemente uno que también tenga algún tipo de indeterminación cuántica. Trabajar con esto experimentalmente seguramente será difícil porque la física cuántica se muestra más obviamente en la forma en que funcionan las cosas pequeñas y la relatividad general con grandes masas.

Sin embargo, todavía se espera que cuando descubramos cómo se combinan los dos tipos de fenómenos en el mundo real, resultará que las ondas gravitacionales serán como ondas electromagnéticas, en el sentido de que hay una especie de excitación “cuántica” mínima de campo que actúa algo así como una partícula. El fotón es el portador de fuerza (portador de fuerza – Wikipedia) del electromagnetismo y el gravitón sería el portador de fuerza del campo gravitacional, suponiendo que esta comprensión sea correcta.

GR contiene más bien las semillas de su propia destrucción a este respecto. GR parece ser completamente adecuado para todas las aplicaciones actuales de la gravedad, incluidos los casos extremos que levantan las cejas, como dos agujeros negros en espiral entre sí y que pierden una parte significativa de su masa de reposo combinada como ondas gravitacionales, según lo detectado recientemente por LIGO.

Sin embargo, extrapolando hacia atrás, GR inevitablemente predice (¿retrodicta?) Una singularidad literal, donde la temperatura, la densidad, la densidad de energía, etc. van al infinito literal. Nadie en serio cree eso. Todo el mundo espera que algo intervenga para evitarlo, y que será algo de la mecánica cuántica, que es nuestra teoría preferida de todo lo demás. Y una teoría de la gravedad de la mecánica cuántica implicará naturalmente partículas de intercambio que se llamarán gravitones. Incluso tenemos una versión en su mayoría resuelta, simplemente no es matemáticamente coherente precisamente en las circunstancias extremas que necesitamos que sea.

Bueno, respondiste tu propia pregunta: “suficientemente bien”. GR explica la gravedad mejor que cualquier otra teoría que tengamos. El problema básico es el siguiente: la mecánica cuántica nos dice que el universo está cuantizado. Por lo tanto, la gravedad debe ser cuantificada. Por lo tanto, debe haber un nivel de gravedad cuántico y una partícula correspondiente, el gravitón.

El problema con esa teoría es que estamos hablando de portadores de fuerza, que nos llevan de vuelta al espacio-tiempo newtoniano. Pero Einstein nos dice que la gravedad es La curvatura del espacio-tiempo. No hay necesidad de partículas si el espacio-tiempo se curva de tal manera que el movimiento de la masa se define por él.

La relatividad general explica la gravedad en términos de distorsiones geométricas en el espacio-tiempo. En opinión de Einstein, la gravedad no es una fuerza, no se necesitan portadores de fuerza. Los modelos competitivos como la teoría de cuerdas / gravedad cuántica dejan espacio para los gravitones.

El futuro de la “partícula de gravedad” está ligado al mayor debate en física.

El problema es que las dos teorías principales, la relatividad de Einstein y la teoría del campo cuántico predicen cosas diferentes en situaciones en las que ambas son aplicables, por lo que no sabemos exactamente cuál es la verdadera. Singularidades, eso es. Necesitamos saber más sobre esas singularidades.