¿Por qué Einstein no logró unificar la gravedad y el electromagnetismo?

Sabes, esta cosa de “la gravedad no es una fuerza” me molesta. Quiero decir, estamos hablando de física aquí. Agarra un ladrillo. Siente su peso. Es una fuerza, ¿no? No lo deje caer sobre su pie, porque entonces podría obtener una demostración bastante dolorosa de esa fuerza. O si desea ser más formal, cuelgue ese ladrillo de un dinamómetro de resorte de tensión. En realidad mide la fuerza. Entonces, ¿por qué deberías creer a aquellos que innecesariamente están tratando de impresionarte diciéndote que la gravedad no es una fuerza?

Claro, la fuerza gravitacional tiene una explicación geométrica (relativamente) simple. Lo que nos dice que en presencia de un campo gravitacional, las líneas del mundo inerciales se convierten en geodésicas curvas de 4 dimensiones, por lo que mantener un objeto en una línea del mundo recta (es decir, mantenerlo en su lugar, evitar que se caiga) ahora requiere una fuerza (tan técnicamente, la fuerza surge no cuando un objeto cae y se acelera, sino cuando se mantiene en su lugar). Esta explicación es posible, en parte, porque el campo gravitacional se acopla para importar universalmente . Lo que esto significa es que todas las partículas materiales responden a la gravedad de la misma manera. Lo que significa que una transformación geométrica inteligente puede hacer que la gravedad “desaparezca”, por así decirlo.

¿Por qué esto no es posible para el electromagnetismo? Porque el electromagnetismo no es universal. Hay partículas con carga y partículas sin carga (o carga opuesta). Hay partículas con y sin momento magnético. Y en cualquier caso, las masas de partículas son diferentes, y la forma en que una partícula responde al campo electromagnético también depende de su masa.

Dicho esto, sin embargo, también es posible tener una descripción geométrica abstracta del electromagnetismo. Simplemente se vuelve más abstracto, más complicado, por las razones que mencioné anteriormente.

En cualquier caso, la explicación geométrica de la gravedad es solo un aspecto de la teoría de Einstein. El otro aspecto es cómo se relaciona con la materia. En la ecuación de campo de Einstein, la naturaleza de la materia se deja sin explicación: está representada por su tensor de tensión-energía-momento, eso es todo. Pero la idea de que una teoría unificada podría explicar simultáneamente la gravedad (en una explicación geométrica) y el origen del tensor de tensión-energía-momento del campo electromagnético es bastante atractiva. Y para estar seguro, Einstein no fue el único. Mientras investigaba, por ejemplo, una teoría generalizada con una llamada métrica no simétrica (que habría representado tanto la gravedad como el electromagnetismo) Weyl tomó una ruta diferente y trató de tratar la métrica del espacio-tiempo y el potencial electromagnético 4 como igualmente fundamental objetos que representan la geometría del espacio-tiempo.

Finalmente, estos esfuerzos no tuvieron éxito porque la física se desarrolló en una dirección diferente. En la década de 1930, se estaban haciendo grandes progresos para cuantificar el campo electromagnético. Se descubrió la fuerza nuclear (residual) que une protones y neutrones dentro de un átomo. Finalmente, terminamos con un modelo que, aunque de forma poco elegante, une las fuerzas nucleares fuertes y débiles y el electromagnetismo en una teoría muy poderosa, que predijo con éxito la existencia de varias partículas (entre ellas, el quark top, el bosón Z) y el bosón de Higgs.) A la luz de estos desarrollos, cualquier intento de lograr la unificación de la teoría clásica (como no cuántica) del electromagnetismo y la teoría geométrica de la gravedad parece pintoresca.

Desde el siglo XIX, algunos físicos han intentado desarrollar un marco teórico único, que puede ser aplicable a las fuerzas fundamentales de la naturaleza: una teoría de campo unificado.

Las teorías clásicas de campo unificado intentan crear una teoría de campo unificado basada en la física clásica. En particular, varios físicos como Faraday, Planck y Einstein buscaron activamente la unificación de la gravitación y el electromagnetismo. Einstein creía que había un vínculo entre la necesidad de resolver las paradojas aparentes de la mecánica cuántica y la necesidad de unificar el electromagnetismo y la gravedad. Las teorías clásicas de campo unificado no tuvieron éxito, pero podemos unificar la teoría cuántica de campos con la gravedad ajustando algunos conceptos de mecánica cuántica.

No tuvieron éxito, porque no han considerado que la fuerza (de hecho, los bosones) y la energía son convertibles entre sí. Ver: Fuerza Unificada, Energía y Masa

En este artículo, al generalizar las ecuaciones de Maxwell a la gravedad, la gravedad y el electromagnetismo se han unificado.

Revisar y analizar la evidencia de la existencia de fluctuaciones cuánticas.

Como han dicho otros, parte de la razón por la que falló fue porque el problema es increíblemente difícil, pero también hay otra razón.

Einstein se negó a aceptar la mecánica cuántica.

Para cuando murió Einstein, la mecánica cuántica había recibido un apoyo teórico y experimental abrumador y fue aceptada por casi cualquier otro físico de renombre en el planeta. El problema era que Einstein era determinista, creía que todo en el universo seguía un conjunto de leyes matemáticas precisas que le permitían predecir lo que iba a suceder con un 100% de precisión. La mecánica cuántica, por el contrario, es probabilística: solo puede decirle dónde es probable que esté una partícula.

Sin embargo, la mecánica cuántica hace un excelente trabajo al describir el electromagnetismo. De hecho, la electrodinámica cuántica es la teoría científica más precisa que la humanidad haya inventado. Negarse a aceptarlo significaba que Einstein básicamente tenía que reescribir una teoría completamente nueva del electromagnetismo y que cualquier cosa que se le ocurriera tenía que ser compatible con la relatividad y hacer un mejor trabajo modelando el universo que las teorías cuánticas.

La gravedad y el electromagnetismo ya fueron realizados por otros, comenzando aproximadamente en 1921:

Teoría de Kaluza-Klein – Wikipedia

Entonces, Einstein trató de concentrarse en el problema más difícil, retirándose de las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Sin embargo, dado que la relatividad es una teoría clásica, no tuvo éxito con un sistema de fuerza que es claramente cuántico.

MC Physics sugiere que Einstein no tuvo éxito en su intento de unificación de la fuerza porque quería continuar con el exitoso enfoque matemático tipo Maxwelliano y la Relatividad General al problema en lugar de un enfoque y comprensión más filosóficos, como en sus anteriores debates y teoría de la Relatividad Especial.

El problema resultante y la creciente preocupación es que ha habido y continúa existiendo una fuerte y creciente separación entre la investigación de los fenómenos de la física que resulta en datos empíricos reales frente a las posiciones y conceptos sostenidos por la física teórica. La causa de esta separación se debe específicamente al enfoque teórico de la física matemática dirigida por la comunidad en soluciones matemáticas extremadamente “extrañas” en lugar de comprender primero los procesos reales y físicos que causan esos fenómenos.

Pero ese enfoque matemático impulsado comenzó incluso antes de 1925 y ha provocado que las primeras suposiciones fundamentales se pongan religiosamente en piedra, incluso con poca base en hechos científicos, lo que dirigió a Einstein, a los físicos teóricos y al público en general en un camino de descubrimiento incorrecto a largo plazo. . Esos supuestos fundamentales que son tenues en el mejor de los casos son:

• límite de velocidad y relación de relatividad,
• los fotones no tienen masa a pesar de que todas sus otras propiedades requieren masa,
• concepto de bosones sin masa como portadores de fuerza, etc.

Otras teorías serias no requieren que esos supuestos cumplan con los datos científicos disponibles, específicamente http://www.mcphysics.org .

Como científicos, debemos estar preparados para cuestionar todo, incluso nuestros supuestos fundamentales más básicos y apreciados en los que se basan esas teorías. No debemos confiar en la lógica circular y las matemáticas para reforzar esos supuestos, sobre los cuales se basan esas matemáticas.

El electromagnetismo tiene que unificarse primero con la fuerza nuclear débil, y Einstein no estaba realmente interesado en las fuerzas nucleares. Al permanecer centrado solo en las fuerzas de las que aprendió en su juventud (electromagnetismo y gravedad), se negó la posibilidad de progresar.

Creo que la gravedad no necesita ser una fuerza para unirla y la mecánica cuántica. Me imagino que Einstein sintió lo mismo.

Había demostrado que la gravedad estaba relacionada con la geometría. QM y QFT también son básicamente de naturaleza geométrica. La unificación puede tener lugar en un nivel de comprensión que es al menos en parte independiente de la noción de fuerza.

En cuanto a la razón por la cual EInstein fracasó en su búsqueda de la unificación, creo que nunca llegó a la geometría apropiada que podría lograr esto. Las geometrías de GR y QM tal como las tenemos hoy son inconmensurables entre sí. Para que tenga lugar la unificación, algo tendrá que ceder.

Creo que tanto GR como QM tendrán que cambiar sus geometrías actuales por una más completa que pueda abarcar ambas y relacionar las dos. Este es el Santo Grial que buscamos: la gravedad cuántica que aún nos falta.

El gravitón puede llegar a ser un arenque rojo. Supongamos, por ejemplo, que no se trata de una partícula portadora de fuerza como se cree actualmente que es el fotón y el gluón, sino más bien un intercambio de información no sustantivo. Creo que la teoría integral que buscamos es más una teoría de la información que una teoría física de partículas y campos de fuerza.

Con el tiempo se demostrará que la gravedad es un fenómeno emergente de todo un sistema físico que surge de las relaciones lógicas y geométricas entre sus partes. Nada mas. Pero eso es más de lo que nuestros físicos imaginan actualmente. Necesitan pensar de manera más integral.

El fenómeno emergente aludido aquí es, creo, en cierto sentido de naturaleza estadística. Pero basado en un tipo de estadísticas mucho más complejas que las estadísticas soñadas hoy. Sería uno mucho más complejo multivariante.

Un caso puntual con respecto a los diferentes enfoques geométricos de GR y física cuántica:

El primero está formulado en la métrica de una geometría de fondo esférica. Las teorías de campo cuántico, por otro lado, están formuladas sobre la métrica de una geometría de fondo plano (lo cual me dicen esencialmente que no incluyen la gravedad). Ahora, aunque estos dos parecen ser irremediablemente inconmensurables entre sí, se puede demostrar de manera bastante simple que pueden llegar a un acuerdo sobre asuntos verdaderamente importantes para la unificación.

Para más información sobre esta idea ver

Sobre la combinación del espacio plano y esférico en las reflexiones metafilosóficas

La misma razón por la que tampoco lo has hecho. Es un problema dificil.