¿Qué podríamos obtener unificando la gravedad y la mecánica cuántica?

Muy posiblemente, nada práctico saldría de la unificación de la teoría cuántica y la gravedad.

Nuestra actual “teoría de todo” (excepto la gravedad) proporciona un marco autoconsistente que explica todo lo que hay: todas las partículas e interacciones elementales, lo que significa, por extensión, toda la física atómica y molecular, toda la química y la biología. En resumen, todo, utilizando un modelo un tanto artificial pero autoconsistente con hasta 26 parámetros adimensionales que deben medirse de forma independiente. Además, esta teoría funciona muy bien incluso en presencia de gravedad (no cuántica, clásica); se descompone solo en regímenes que probablemente permanecerán para siempre inaccesibles para nosotros, como el universo primitivo extremo o la vecindad inmediata de una singularidad en lo profundo del horizonte de eventos de un agujero negro.

Claro, hay algunos problemas. El problema cosmológico constante. El problema de la jerarquía. El posible fracaso de la teoría en la escala de Planck (muchos, muchos órdenes de magnitud más allá de cualquier régimen al que se pueda llegar mediante un experimento). La unificación con la gravedad podría ayudar a resolver estos problemas teóricos. Incluso podría ayudar a que la teoría se vuelva más elegante, con menos parámetros independientes.

Por otro lado … la unificación con la gravedad puede predecir fenómenos completamente nuevos. Por ejemplo, pequeñas violaciones del principio equivalente. Lo que, algún día, podría conducir al desarrollo de materiales exóticos que puedan proteger o manipular la gravedad. Gravedad artificial, alguien? Propulsión sin reacción de masa? Tal vez incluso una unidad de urdimbre?

Pero no te dejes llevar por estos vuelos de fantasía. Mucho más probable, una mejor comprensión de la gravedad, aunque emocionante para los teóricos, no conducirá a mejoras en la tecnología en el corto plazo, si es que alguna vez lo hace.

Por supuesto, cualquiera que intente predecir el futuro de esta manera es un tonto, y el suyo realmente no es una excepción. Así que no me escuches por favor 🙂

Gracias por A2A. Logan R. Kearsley le dio una gran respuesta desde una perspectiva de cosmología y astronomía. ¡Ya que permiten conjeturas y especulaciones, especularé salvajemente!

Históricamente, la tecnología siempre se ha definido por el tamaño con el que podemos modificar los materiales. Hubo un tiempo en que lo más pequeño que podíamos hacer era una roca afilada usando una piedra de sílex. Luego, con la metalurgia, podríamos alcanzar el tamaño de un clavo, luego una chincheta, luego los transistores que ahora funcionan a una escala de 10 nm aproximadamente. Esto es 100 veces el tamaño de un átomo.

Sería muy extraño si viviéramos en la época en que la reducción de tamaño de lo que podemos fabricar o controlar de repente alcanzó una meseta.

Unificar la gravedad y la mecánica cuántica impacta cómo se comportan las cosas pequeñas y pesadas. Apuesto a que la historia futura revelará que esta unificación nos permitirá de alguna manera jugar con cosas a una escala menor de lo que creemos que ahora es posible.

Esto sería un gran problema para la biología, la computación y otros campos.

Estoy seguro de que las respuestas llegarán cuando nos demos cuenta de que una función extraordinaria y hasta ahora no detectada del espacio-tiempo nos está mirando directamente a la cara. La unificación podría estar a un pensamiento de distancia, un momento momentáneo de bombilla, y nuevamente le recordaré a la gente el día en que Georges Lemaître entró al estudio de Einstein. Durante un tiempo, incluso Einstein no aceptaría un “mecanismo” universal que, de alguna manera, hubiera calculado a partir de su trabajo más famoso.

Si un nuevo modelo teórico del espacio-tiempo resulta ser correcto, parecería que al principio habría un gran beneficio para la ciencia en el tiempo ahorrado al no buscar pistas falsas. Gravitones, por ejemplo.

Al principio parece que se ahorraría tiempo de investigación, pero ¿es necesariamente así? Basta con mirar el tiempo dedicado a probar la relatividad general. A pesar de que las primeras investigaciones han sido emocionantemente positivas, hemos gastado muchos, muchos millones de dólares a lo largo de los años para probarlo con mayor precisión.

Entonces, supongamos que hubiera un avance maravilloso que obedeciera todas las reglas de GR y nos permitiera comprender por primera vez exactamente qué causa la curvatura del espacio-tiempo a nivel cuántico. Seguramente causaría un aumento explosivo en la investigación en lugar de lo contrario.

Mi propio Hobbyhorse es la entrada fluida del espacio-tiempo a la materia, es una idea que me intrigó durante más de 40 años, pero incluso si algo así fuera cierto y la macro y la micro se unificaran por defecto, habría una miríada de Nuevas preguntas por responder. En un universo así, la materia aún tendría que ser un producto de la energía del espacio-tiempo y, cuando se acelera, necesita algún medio para efectuar ese proceso. (Suspiro) Quizás necesitaríamos gravitones, aunque ahora, la acción de los gravitones estaría muy localizada y no necesitaría este objeto hipotético para atravesar el Universo.

Hipótesis tan extrañas, pero también lo fue la de Lemaître. . . por un momento.

Supongo que obtendríamos una idea útil de los primeros momentos del Big Bang, pero nada práctico. Ya sabemos que GR está bien modelado a bajas energías (es decir, todo lo que podemos soñar con lograr en un acelerador de partículas) mediante una teoría genérica de campo cuántico con partículas de intercambio de espín-2 sin masa (Gravitones), pero que los gravitones serían así numerosos y ligeros que no habría un comportamiento cuántico distintivo. La parte difícil es ajustar la teoría del gravitón para que sea coherente a energías extremadamente altas (actualmente no lo es) y eso probablemente solo afectará las predicciones a energías extremadamente altas, como y en particular cerca de la energía de Planck, que es solo Se cree que se realizó en los primeros momentos del Big Bang.

En realidad, al unificar el giro 2 simétrico (ortogonal a todo el giro 1, las interacciones antisimétricas llamadas ‘calibre’ descritas por U (1) x SU (2) x SU (3)) gravedad completamente no reducible descrita por el ( ortogonal-) ‘invisible’ Graviton con su CAP- dual 2 x (simétrico) 10 = 20 grados de libertad parece que todos los resultados extraños de QM se vuelven completamente lógicos.

Obligatorio conforme a CAP: las partículas elementales duales deben describirse como: Ondas de punto armónicas ideales (matemáticas) en el plano 2D perpendicular a la dirección de movimiento (SR-línea de mundo) con CAP : doble abierto o cerrado. Condiciones de borde.

Open-BC describe fermiones elementales y compuestos estables. En nuestro universo hay 3 diferentes masas de descanso Fermi-Families. Open-BC permite interacciones gravitacionales y EM en todas las diferentes direcciones similares al espacio 3D. Esta es la razón por la cual todos los fermiones diferentes deben poseer masas de descanso> cero y daño ideal. densidades de carga oscilantes distintas de cero en el plano 2D ortogonal a la Dirección de Movimiento (línea mundial SR), generalmente llamado magneton de Bohr conservado / constante – Wikipedia.

Compatible con CAP dual descrito elem. las partículas ya no son partículas puntuales y poseen una energía lógica entendida proporcional a una frecuencia y Spin conservado descrito explícitamente en la Dirección de Movimiento. De hecho, Spin (física) – Wikipedia simplemente no puede ser analizada como una llamada propiedad ‘intrínseca’ no entendida de las matemáticas. ¡Partículas puntuales supuestas con una extensión cero en realidad!

Esta es la razón principal por la cual la gente encuentra la mecánica cuántica: Wikipedia es tan difícil de entender.

Sin embargo, cuando se reescribe QM conforme al CAP, es decir, al unificar la gravedad y la mecánica cuántica, ¡QM de repente se vuelve completamente lógico imaginable!

Esto es muy especulativo, y personalmente soy escéptico de que esto suceda alguna vez, pero si sucedió, aquí hay algunas posibilidades en las que puedo pensar (no juzgo qué tan probable o improbable es cada posibilidad):

1. La búsqueda de la unificación no se detendría allí. La gente entonces buscaría unificar la física con las matemáticas.

2. La unificación nos diría sobre nuevas formas de convertir diferentes formas de energía entre sí, abriendo así el camino para las nuevas tecnologías que aprovechan este nuevo conocimiento.

3. La unificación pondría fin a un programa de investigación en particular (unificando la gravedad y la cantidad), y los recursos que de otra manera se le habrían asignado se liberarían para otros fines.

4. La unificación agudizaría la atención a otras fronteras de la física como la turbulencia y otros fenómenos complejos.

5. La teoría unificada serviría como plantilla para otras áreas de la física, por ejemplo, física de la materia condensada, y tal vez incluso otras áreas de la ciencia.

6. La unificación pondría fin a las aspiraciones de una carrera en física de al menos una fracción de las personas que de otro modo habrían entrado en física, especialmente si la decisión de seguir este campo se divide estrechamente entre física y otro campo (matemáticas, ingeniería, informática), lo que ayuda a fortalecer esos campos.

7. La unificación abriría nuevos horizontes para la especulación metafísica (especialmente si no nos dice por qué las leyes de la física son como son, o cuáles son los principales actores primitivos en la teoría, como los campos, realmente “son”)

8. La unificación ayudaría, al menos en cierta medida, a calmar nuestra sed de conocimiento por sí misma.

9. La unificación constituiría un logro supremo de la humanidad en su conjunto.

10. La unificación nos ayudaría mejor a comprender nuestro lugar en el universo.

Pero, como se mencionó, no estoy convencido de que esto suceda. Mi razón se da en la publicación que, según me dijeron, provocó esta pregunta:

¿Cómo se concilian la mecánica cuántica con la relatividad general?

¿Qué podríamos conseguir?

Detectores y generadores de ondas gravitacionales pequeños y baratos. Eso nos proporcionaría algunas excelentes herramientas nuevas para astronomía y cosmología, pero también geología, comunicaciones y armas. Generación de energía, utilizando ondas gravitacionales para comprimir combustibles de fusión, que tiene todo tipo de aplicaciones. Llevando eso al extremo, podríamos tener la capacidad de generar y controlar micro agujeros negros.

Tal vez incluso la propulsión basada en la gravedad: no sé cómo un cohete gravitón se compararía con un cohete fotónico, pero ciertamente suena genial, e incluso podríamos obtener unidades de distorsión o sesgos gravitacionales subluminales o unidades espaciales de disyunción.

¿Creo que conseguiremos todo eso? ¿O incluso algo de eso? Realmente no. Como dijo Richard Muller, no salió mucho de la última gran unificación. Pero, por otro lado, la fuerza débil es una fuerza de corto alcance. Incluso si pudiéramos controlarlo, ¿qué bien haría? Pero la gravedad es una fuerza de largo alcance, como el electromagnetismo, y cuando unificamos la electricidad y el magnetismo, ¡obtuvimos casi toda la tecnología moderna! Si pudiéramos obtener un nivel de control similar sobre los gravitones como el que tenemos sobre los electrones y los fotones mediante la gravedad unificadora y el electromagnetismo y aprender a transducir entre los dos, sería muy emocionante. Sólidamente en el ámbito de “no tenemos idea de qué cosas increíbles podrían terminar saliendo de él”.

Una mejor comprensión de la naturaleza, que después de todo es el objetivo de la ciencia. Lo que la mayoría de la gente no sabe es que la Relatividad General (es decir, la gravedad) se ha unificado con la Teoría del Campo Cuántico, la teoría que debería haber reemplazado QM pero no lo hizo. Como de costumbre, pegaré un extracto de mi libro que explica esto. Para ver los muchos otros problemas resueltos por QFT, lea mi Capítulo 10, que está disponible gratuitamente aquí.

LA GRAVEDAD Y QFT SON COMPATIBLES

A menudo se dice que la relatividad general es incompatible con la teoría cuántica. Julian Schwinger no estuvo de acuerdo.

[Considere] un campo neutral que presumiblemente no posee propiedades internas y responde dinámicamente a los atributos espacio-temporales de otros sistemas … Parece que en la jerarquía de campos hay un lugar natural para el campo gravitacional. – J. Schwinger (S1957, p. 433)

Schwinger publicó dos artículos sobre “El campo gravitacional cuantificado” en la Revisión física en 1963.

Esto no quiere decir que no haya ningún problema con la gravedad cuántica. Del mismo modo que las ecuaciones QFT para el campo EM condujeron a valores infinitos, las ecuaciones de campo gravitacional conducen a infinitos, pero estos infinitos no pueden evitarse mediante la renormalización, como se describe en el Capítulo 6. Pero esto no significa que QFT y la relatividad general sean inconsistentes . Solo significa que la teoría no describe la interacción de un cuanto gravitacional con su propio campo (ver “Las brechas” en el Capítulo 10).

Aunque la renormalización no funciona para la gravedad cuántica, Schwinger encontró otra forma de evitar el problema de los infinitos, utilizando un método que llamó la teoría de la fuente . Usando este método, pudo reproducir los cuatro resultados clásicos de Einstein: desplazamiento rojo gravitacional, desviación y desaceleración de la luz por la gravedad, y la precesión perihelio de Mercurio (S1970, p. 82-85). La negligencia de la teoría de la fuente por parte de la comunidad física fue una gran decepción para Schwinger:

La falta de apreciación de estos hechos por parte de otros fue deprimente, pero comprensible – J. Schwinger (S1970, Prefacio).

Entonces, una vez más, usted, el lector, tiene una opción, como lo hizo con respecto a los dos enfoques de la relatividad especial. Las ecuaciones de Einstein se pueden interpretar como que describen una curvatura del espacio-tiempo, por imprevisible que sea, o como un campo cuántico en el espacio tridimensional, similar a los otros campos de fuerza cuántica. Para el físico, realmente no hace mucha diferencia. Los físicos están más interesados ​​en resolver sus ecuaciones que en interpretarlas:

Lo importante es poder hacer predicciones sobre las imágenes en las placas fotográficas de los astrónomos, las frecuencias de las líneas espectrales, etc., y simplemente no importa si atribuimos estas predicciones a los efectos físicos de los campos gravitacionales en el movimiento de planetas y fotones o en una curvatura del espacio y el tiempo. (Se debe advertir al lector que estos puntos de vista son heterodoxos y se encontrarán con las objeciones de muchos relativistas generales). – S. Weinberg

No es mi campo, pero no puedo resistir una suposición:

Al escuchar el discurso del Nobel, la mayoría de nosotros probablemente piense: “¡Bueno, duh ! ¡Es obvio en retrospectiva!” o un escalofrío nos recorrerá las espinas al darnos cuenta de que el mundo no se parece en nada a la limitada perspectiva perceptiva de nuestro “sentido común” que nos ha llevado a creer. De cualquier manera, la mayoría de nosotros volveremos a lo que estábamos haciendo antes.

¿Podría haber tecnologías derivadas de la unificación de la gravedad y la QM? Parece poco probable, pero generalmente lo hace (parece poco probable). La mayoría de las nuevas tecnologías surgen de efectos secundarios insospechados descubiertos accidentalmente, y apenas se considera que valga la pena preocuparse hasta que sea demasiado tarde …

No hay una respuesta directa a esa pregunta, ya que no se puede prever la importancia de un avance (si está preguntando sobre su aplicación).

Por ejemplo, cuando James C. Maxwell formuló su unificación de la electricidad y el magnetismo, condujo al descubrimiento teórico de las ondas electromagnéticas (esto sucedió alrededor de 1879). Unas décadas más tarde fueron descubiertos empíricamente por Heinrich Hertz.

En conclusión, no podemos predecir nada, pero podemos esperar obtener algunas aplicaciones prácticas.

Mirando hacia atrás en las reunificaciones anteriores, y en la forma en que estamos viendo esta, podemos estar bastante seguros de que obtendremos:

• Una imagen más clara de cómo se comportan las cosas a muy, muy altas energías y / o en campos gravitacionales muy, muy fuertes. El Big Bang y el interior de los agujeros negros son los lugares más interesantes donde estas cosas son ciertas.
• Una mejor comprensión de la naturaleza de nuestras teorías actuales: por ejemplo, ¿son teorías de campo efectivas que son válidas por debajo de un límite de renormalización físicamente real?

Bien podríamos obtener:

• Una nueva comprensión de la naturaleza del espacio y el tiempo (más probable, del espacio-tiempo)
• Algunas ideas adicionales sobre la naturaleza de los fenómenos actualmente desconcertantes, como la energía oscura

Es muy poco probable que obtengamos:

• Tecnología que podemos aplicar en un futuro cercano (por ejemplo, los próximos 50 años)
• Una solución completa a las dificultades conceptuales que tenemos incluso con nuestras teorías actuales.
• El fin de la física

Pero como otros han dicho, simplemente no lo sabemos. Si la reunificación continúa aproximadamente mientras los físicos están trabajando en este momento, apostaría por la lista anterior. Pero puede suceder de una manera completamente diferente y poner todo al revés.

El único que estoy absolutamente, completamente, seguro de que no conseguiremos es el último.

No espero que salga nada útil en el futuro previsible.

La teoría que unificó las interacciones débiles y electromagnéticas se publicó en 1961. Eso fue hace 54 años. (El Premio Nobel fue otorgado en 1979). Y hasta el momento no hay una aplicación práctica; ni siquiera una aplicación práctica concebible; nadie ha sugerido uno que algún día pueda surgir.

¡Cincuenta y cuatro años sin nada ni siquiera en el horizonte! Las probabilidades son aún menores para la teoría aún por desarrollar que unifica la gravedad y el resto de las interacciones fundamentales.

Lo maravilloso es: no lo sabemos . ¿Quién podría haber imaginado la electrónica moderna cuando Thomson estaba haciendo sus experimentos fundamentales? La electrónica en ese momento funcionaba bien sin saber qué transportaba la corriente eléctrica , entonces, ¿por qué debería importarle a alguien? Afortunadamente, los científicos de la época tenían curiosidad y querían saber por el simple hecho de saber.

Esa es más o menos mi actitud hacia la gravedad cuántica. Es una “pieza faltante” muy conspicua en nuestra comprensión de la naturaleza, y quiero que, como especie, lo descubramos solo por esa razón. Qué tecnologías, si las hay, surgen de este conocimiento, dependerán mucho de cuál sea la respuesta.

Un premio Nobel seguro.

Cien años es probablemente un período de tiempo demasiado corto para confirmar incluso una teoría medio decente que unifica la gravedad y la mecánica cuántica. No se me ocurre ninguna tecnología desarrollada en tan poco tiempo.

Un posible beneficio en términos de horizonte temporal muy largo podría ser la nueva tecnología de generación de energía. La mayor parte de la energía conocida en el universo es el resultado de interacciones entre estas fuerzas fundamentales.

¿Quién sabe? Unificar los dos podría implicar una reorientación fundamental en nuestra visión de las cosas realmente, y esto podría conducir a predicciones teóricas de posibles aspectos prácticos que antes no se habían visto, cosas como el viaje en el tiempo, más rápido que el viaje ligero, etc.

Richard Feynman respondió a esta pregunta hace mucho tiempo con este ingenioso revestimiento:

“La física es como el sexo: claro, puede dar algunos resultados prácticos, pero no es por eso que lo hacemos”.

A lo largo de la historia, han surgido cosas maravillosas que no fueron el objetivo principal de la investigación, por lo que también espero lo mismo en este caso.

Solo adivino, y ni siquiera es un SWAG (conjetura científica loca). Me pregunto si la unificación podría arrojar algo de luz sobre los problemas filosóficos de la mecánica cuántica, por ejemplo, universos múltiples / superposición, etc. La unificación mostraría cómo / cuándo QM toma el control de GR a medida que las cosas se hacen más pequeñas, así que tal vez tendremos un mejor comprensión de lo que significa la función de onda y cómo funciona el enredo.

Quizás si tenemos suerte encontraremos un gato vivo.