¿Qué es la gravedad cuántica de bucles?

Primero, no tengo más credenciales que terminar el libro de Carlo Rovelli titulado La realidad no es lo que parece, que intenta explicar Loop Quantum
Gravedad. Carlo Rovelli es uno de los creadores de Loop Quantum Gravity en la década de 1980 y continúa trabajando en el campo mientras escribo esto. La mecánica cuántica se desarrolló originalmente para explicar el asombroso mundo de las partículas subatómicas muy pequeñas. Esta descripción es fundamentalmente de naturaleza matemática y no sería un gran problema práctico si las ecuaciones desarrolladas no resultaran enormemente útiles para los ingenieros que trabajan en el mundo real. El hecho de que la mecánica cuántica es extremadamente útil significa que tiene credibilidad en la calle como un verdadero trato con cosas reales.

La gravedad, como todos sabemos, es lo que arrastra las cosas hacia la Tierra y nos impide flotar en la superficie de la Tierra. Newton, después de que la famosa manzana cayera sobre su cabeza, investigó la gravedad y codificó sus hallazgos en una serie de fórmulas matemáticas que básicamente decían que las cosas pesadas tienen más de esta cosa llamada gravedad que las cosas más ligeras. La tierra tiene más gravedad que la luna, por lo que la luna permanece en órbita alrededor de la tierra, pero la luna tiene más gravedad que los océanos, por lo que la luna causa mareas altas y bajas aquí en la tierra. La gravedad es una función de las masas físicas relativas de 2 o más objetos.

Einstein dijo, “espere un minuto allí” la gravedad en realidad no es una “fuerza”, en realidad es la forma del espacio. No hay “fuerza” per se. Piensa en un trampolín. Pon una bola de boliche pesada en el medio. Tome una pelota de ping pong y ruede sobre el trampolín. La pelota de ping pong rodará hacia la bola de boliche más pesada no porque la bola de boliche sea más pesada sino porque la superficie del trampolín se ha deformado con esta bola de boliche pesada en el medio. Piense en la superficie del trampolín como “espacio”, la razón por la cual la pelota de ping pong rueda hacia la bola de boliche es porque la forma del espacio la fuerza en esa dirección. Einstein dijo que la gravedad no es una “fuerza”, es que el “espacio” en sí mismo está distorsionado por objetos pesados, lo que hace que el objeto más ligero se mueva hacia ellos.

El objetivo de la gravedad cuántica de bucles era tratar de describir la teoría general de Einstein solo utilizando las matemáticas de la mecánica cuántica. Obviamente, si se puede hacer, unificaría los campos de la mecánica cuántica y la Teoría general de Einstein, un tipo de teoría de todo o al menos una teoría de mucho.

Pero LQG cuestiona si el espacio en sí realmente existe. No puede ser “nada” porque nada por definición no existe. Entonces, después de luchar por descubrir qué es el espacio, LQG decidió que el espacio es un campo. Piense en un imán sentado debajo de un trozo de papel. Coloque limaduras de hierro en la parte superior del papel y se organizarán en áreas de limaduras y áreas de nada. Esto es, en cierto modo, una imagen del campo del imán. Dos chicos, Maxwell y Faraday descubrieron un montón de ecuaciones que explicaban la electricidad y el magnetismo como campos como el campo magnético que se muestra en las presentaciones en papel en presencia de un imán. LQG toma la posición de que no existe la materia y el espacio, que todo, todo es fundamentalmente un campo con grupos “de campo” que se muestran como nodos. Entonces, el truco para explicar la Teoría general de Einstein que dice que la gravedad es la distorsión del espacio se convierte en LQG. La gravedad es una distorsión en un campo, o debería decir EL campo ya que el campo es la materia fundamental de la existencia.

Un último punto Tome un trozo de cuerda, cortado por la mitad. Toma una de las mitades y córtala por la mitad. ¿Hay un límite teórico para cuántas veces puedes dividir algo? ¿Las cosas son divinamente divisibles o no? Las matemáticas de LQG dicen que no hay cosas que no sean divinamente divisibles, hay un límite inferior más allá del cual las cosas no se pueden dividir. Este tamaño resulta ser Planks constante, que es un tema para otros lugares. Pero esta afirmación de que la realidad no es infinitamente divisible resulta ser una idea poderosa que resuelve muchos problemas prácticos que enfrentan los físicos. En particular, hay muchas fórmulas matemáticas en física que terminan con la división por 0, lo que no es posible. Para resolver estos foros matemáticos (utilizados por los ingenieros para las cosas prácticas cotidianas), los matemáticos tienen que normalizar una ecuación, es decir, deben saltar la división por 0. En LQG, estos problemas se eliminan, lo que la convierte en una herramienta muy poderosa. Fue utilizado por Stephen Hawking, por ejemplo, al tratar de comprender lo que sucede en un agujero negro.

Esto es un poco largo aliento. Espero que no te moleste. Proviene de mi propio glosario de términos en QM. Uno de los intentos de describir la gravedad cuántica se llama gravedad cuántica de bucle (LQG). Esta teoría supone que el espacio-tiempo es estructuralmente algo similar a un tejido: consiste en una gran cantidad de fibras muy pequeñas enredadas en bucles. Un campo con un área de un centímetro cuadrado podría contener (10 ^ 66) tales fibras.

La gravedad cuántica en bucle es un intento de aplicar los conceptos y leyes de la teoría cuántica directamente a la geometría que está en el corazón de la relatividad general.

La gravedad cuántica de bucle (LQG) es una teoría que describe las propiedades cuánticas de la gravedad. También es una teoría del espacio cuántico y el tiempo cuántico, porque, como se descubrió con la relatividad general, la geometría del espacio-tiempo es una manifestación de la gravedad. LQG es un intento de fusionar y adaptar la mecánica cuántica estándar y la relatividad general estándar. El resultado principal de la teoría es una imagen física del espacio donde el espacio es granular. La granularidad es una consecuencia directa de la cuantización. Tiene la misma naturaleza de la granularidad de los fotones en la teoría cuántica del electromagnetismo o los niveles discretos de la energía de los átomos. Pero aquí es el espacio en sí lo que es discreto.

Más precisamente, el espacio puede verse como una tela extremadamente fina o una red “tejida” de bucles finitos. Estas redes de bucles se denominan redes de espín. La evolución de una red de rotación a lo largo del tiempo se denomina espuma de rotación. El tamaño predicho de esta estructura es la longitud de Planck. Según la teoría, la distancia a escalas más pequeñas que la escala de Planck no tiene sentido. Por lo tanto, LQG predice que no solo la materia, sino también el espacio en sí, tiene una estructura atómica.

Varias direcciones de investigación estudian las consecuencias físicas de la teoría. Entre estos, el más desarrollado es la aplicación de LQG a la cosmología, llamada Loop quantum cosmology (LQC). LQC aplica las ideas de LQG al estudio del universo primitivo y la física del Big Bang. Su consecuencia más espectacular es que la evolución del universo puede continuar más allá del Big Bang. El Big Bang parece ser reemplazado por una especie de Big Bounce cósmico.

El origen profundo del problema es el hecho de que la gravedad es geometría. Cuando no se ignoran las propiedades cuánticas de la gravedad, el espacio-tiempo mismo se convierte en un objeto cuántico y, por lo tanto, la lógica habitual de la teoría convencional de campos cuánticos, que requiere la existencia de una geometría clásica bien definida, ya no funciona. Este es el punto de partida de LQG. Una teoría cuántica definida sin suponer un espacio-tiempo clásico se llama fondo independiente. LQG es esencialmente una técnica para estudiar la teoría del campo cuántico cuando no hay antecedentes de espacio-tiempo. Los estados cuánticos de la teoría, etiquetados por redes de espín, no deben considerarse como vivir dentro de un espacio físico, sino más bien para definir el espacio físico por sí mismos. Esta es la versión cuántica de la propiedad principal de la relatividad general de Einstein, donde las soluciones de la teoría no son el campo gravitacional que vive dentro de un espacio-tiempo, sino que están definiendo el espacio-tiempo.

La gravedad cuántica de bucles podría considerarse como el caballo oscuro en la carrera por una gravedad cuántica. Sin embargo, tiene algunas características notables. Por ejemplo, la gravedad se vuelve repulsiva a altas densidades, evitando la formación de singularidades. Esto naturalmente evita que los agujeros negros colapsen en un objeto puntiagudo. Del mismo modo, el Big Bang se convierte en un gran rebote, y preguntas como “¿qué pasó antes del Big Bang?” llegar a ser físicamente significativo. Es importante destacar que la cuantificación del espacio y el tiempo se produce naturalmente con la gravedad cuántica del bucle.

Su mayor problema no radica en su capacidad para abarcar la gravedad, sino en su capacidad para retener las propiedades del modelo estándar. El modelo estándar depende en gran medida de algo llamado transformación de calibre. El punto para medir las transformaciones es que, cuando se juega este truco matemático, ciertas partes de la física siguen siendo las mismas, mientras que otras cambian. La forma en que surgen estos cambios e invariantes nos informa sobre la simetría que se observa en la naturaleza y explica una gran variedad de resultados.

Este concepto de transformación de medidores es muy complejo de explicar en este espacio, pero es crítico para la credibilidad de LQG si se ajusta a los requisitos del Modelo Estándar.

(Descargo de responsabilidad: mi conocimiento de este tema es limitado, por lo que puedo decir muchas cosas incorrectas)

Una respuesta corta sería que la gravedad cuántica de bucles es una teoría de la gravedad cuántica (que no debe confundirse con la teoría de cuerdas que una teoría de todo). Intenta encontrar una descripción cuántica de la gravedad, similar a otras fuerzas fundamentales, pero no intenta necesariamente unificar a aquellos bajo una sola cuerda con diferentes modos de vibración, por ejemplo. En lugar de unificar las fuerzas, unifica las teorías utilizadas para describir esas fuerzas. Se podría decir que intentan encontrar una formulación cuántica de la relatividad general, porque su formulación se basa en la formulación de la relatividad general de Einstein, que se basa en la geometría diferencial. Ahora la parte revolucionaria sobre LQG es cuál es su solución al problema de la gravedad cuántica. Para que la teoría funcione utilizando la misma formulación que la de Einstein, el espacio-tiempo mismo se cuantifica. Si, lo leiste bien. No importa, no es energía, pero el espacio-tiempo mismo está cuantizado. Una buena manera de imaginar eso sería imaginar algo así como una cuadrícula de espacio-tiempo. Y hay una distancia mínima en el espacio-tiempo (con eso quiero decir tanto espacio como tiempo). Ahora, eso es sorprendente, porque ¿puedes imaginar el tiempo como algo discreto? Ahora las matemáticas detrás de todo esto son muy complejas, pero si quieres una mejor introducción, está disponible este pdf Loop Quantum Gravity – Carlo Rovelli, que es accesible, y te recomiendo conferencias en línea sobre Loop Quantum Gravity – Lee Smolin en el Perimeter Institute . De todos modos, eso es todo lo que puedo decir sobre LQG sin incurrir en un error. Espero que te haya ayudado.

Desde el punto de vista de la teoría de Einstein, no sorprende que todos los intentos de tratar la gravedad simplemente como una fuerza cuántica más (a la par con el electromagnetismo y las fuerzas nucleares) hayan fallado. Según Einstein, la gravedad no es una fuerza, es una propiedad del espacio-tiempo en sí. La gravedad cuántica en bucle es un intento de desarrollar una teoría cuántica de la gravedad basada directamente en la formulación geométrica de Einstein.
Este enfoque es difícil de explicar en detalle sin recurrir al lenguaje de las matemáticas. Parte del problema es una pregunta aún sin respuesta: aunque este enfoque conduce a una formulación cuántica para la gravedad, los investigadores todavía están ocupados tratando de averiguar cómo un universo como el nuestro, que obedece a la teoría general de la relatividad clásica (es decir, no cuántica). – puede surgir de tal base cuántica.
Sin embargo, un aspecto de los modelos de bucle es fácil de entender. El espacio, en general la relatividad, es un continuo. En cada parte, se pueden definir regiones de volumen arbitrariamente pequeño, y cada pequeña región se puede dividir en regiones aún más pequeñas, hasta el infinito. En los modelos de bucle, la estructura básica del espacio-tiempo resulta ser discreta. En tales espacios-tiempo discretos, hay valores más pequeños para volúmenes y áreas que ya no son divisibles, al igual que uno no puede construir una estructura más pequeña que el bloque más pequeño en un juego de lego para niños. La estructura del espacio se llama una red giratoria con líneas y nodos, como se muestra aquí:

Los nodos pueden llevar valores numéricos; dependiendo del número, representan bloques de construcción de volumen de diferentes tamaños. El volumen más pequeño posible es el de una región que contiene solo un nodo con el valor más bajo posible. A medida que agrega más nodos y / o aumenta los valores asociados con los nodos existentes, el volumen aumenta.
Por lo tanto, el espacio adquiere una estructura granulada y discreta, y también el tiempo. En los modelos simplificados utilizados para las exploraciones cosmológicas, resulta que dentro de la gravedad cuántica del bucle, no existe la singularidad del big bang; en cambio, la historia del universo se puede rastrear infinitamente en el pasado, paso a paso.

Fuente: gravedad cuántica de bucle

Es una teoría cuántica del espacio-tiempo que es independiente del fondo y se centra en la geometría. Los principales defensores incluyen: Lee Smolin, Carlo Rovelli, John Baez y Abhay Ashtekar. LQG es una alternativa a la teoría de cuerdas y considera que el espacio está formado por bucles discretos (cuantificados) que se combinan entre sí. Los bucles son redes giratorias de campos gravitacionales que han sido energizados.

Es una teoría que investiga la gravedad y el espacio-tiempo.

Para explicarlo se requiere una explicación de la relatividad, la mecánica cuántica y otras áreas de estudio difíciles de explicar. Pero la consecuencia de la teoría es que el espacio en sí está formado por pequeñas estructuras, conectadas en redes. A medida que cambian con el tiempo, llamamos a estas redes “espuma giratoria”, el componente de lo que la relatividad llama “espacio-tiempo”, al igual que los quarks hacen partículas atómicas, que forman átomos.

La base de la gravedad cuántica de bucle implica una función tróptica que representaría el potencial tridimensional de la gravedad en sí, después de representar con éxito la gravedad en términos de fuerza y ​​gravitación, es decir, F = G ((m sub1 * m sub2) r ^ 2) sin obtener para profundizar en la lógica matemática, tendría que cuantificar la ecuación en términos de constantes de tabla que identificarían la solución para su ecuación de gravedad con el aspecto cuántico.

Si quisieras entender esto en términos de palabras, podrías decir: Encuentra la perspectiva inicial de la gravedad y luego cuantifícala.

Los problemas que tendría en esto son los siguientes:

La naturaleza exacta de la física cuántica sigue siendo mínima, incluso con hallazgos recientes en todas las áreas de la ciencia.

Después de aplicar su primer resultado de Gravitación a su ecuación cuántica secundaria, puede entrar en contacto con el problema de la realidad cuántica frente a la realidad subatómica / atómica. Estas dos realidades, aunque forman sus propias constantes específicas, pueden cambiar cuando se entrelazan en la observación. Por lo tanto, la primera observación de la gravedad queda obsoleta. ¡Esto puede no ser siempre cierto! Por lo tanto, realizar el hallazgo inicial de Gravity en términos de fuerza y ​​ubicación exacta podría beneficiar o socavar sus hallazgos.

La gravedad cuántica de bucles es una teoría de la gravedad cuántica o una teoría del campo cuántico que sugiere que la gravedad y, en consecuencia, el espacio-tiempo están cuantizados. (En otras palabras, el espacio y el tiempo están hechos de cuantos de espacio-tiempo que hacen que el espacio-tiempo sea granular como el campo de Higgs o el campo de electrones). La distancia más corta que puede existir: se dice que la longitud de Plack es el tamaño de cada uno de estos cuantos. El espacio-tiempo aquí se considera como una superposición de algo llamado Spin Foam. Cada espuma giratoria es una “evolución” de dimensiones superiores de una red giratoria en un múltiple. La palabra “bucle” aquí representa una cadena de bucles que teoriza. Estos forman la red de espín con estados cuánticos codificados en ellos.

LQG también comienza como un fondo independiente, mientras que uno de los principales problemas de la teoría de cuerdas (ST) era que requería un fondo absoluto y fijo para que las ecuaciones tuvieran lugar. LQG intenta comenzar en el punto de partida lógico, construyendo este fondo, utilizando las redes de spinor de Penrose para construir lo que aparece como Relatividad General en la escala macro. Existe una excelente probabilidad de que las teorías (y eso se refiere a ST como una teoría en los términos más flexibles) se fusionen eventualmente, y ya ha habido un intercambio de ideas entre ellas. Pero LQG probablemente proporcionará el marco teórico para el TOE eventual, mientras que el número probablemente infinito de ST todavía carece de uno coherente después de varias décadas de trabajo, y ST ayudará a completar los detalles.