Creo que es muy poco probable que alguna vez tengamos evidencia directa y experimental de que existan gravitones. La razón por la que creo que se resume más o menos en la respuesta de Barak Shoshany a ¿Por qué todavía no se ha detectado el gravitón?
Sin embargo, tenemos razones teóricas bastante fuertes para creer que existen los gravitones. Hay algún debate filosófico (y disputas de semántica) sobre si esto cuenta como “evidencia”, pero yo diría que sí (al menos hasta el nivel solicitado de “evidencia tentativa”), pero no evidencia concluyente . Mi razonamiento es más o menos así: el tremendo éxito de una teoría después de pruebas exhaustivas nos lleva a aumentar nuestra confianza en las otras predicciones de esa teoría (lo cual, diría, es completamente racional). Si ese comportamiento (más o menos universal) es racional, entonces “ser una predicción de una teoría exitosa” se ajusta a una definición razonable de “evidencia” (algo que cambia la probabilidad de que una proposición sea verdadera). En este caso, la motivación teórica proviene más de la estructura general que solo de una teoría científica específica, pero el mismo principio es válido.
Nuestra mejor teoría actual de la gravedad es la relatividad general. Se ha probado con gran precisión durante el siglo pasado y se ha confirmado una y otra vez. Incluso, o quizás especialmente, las predicciones “extrañas” de la teoría, como la dilatación gravitacional del tiempo, la lente gravitacional, los agujeros negros, las ondas gravitacionales y la posibilidad de que el espacio se expanda, están en línea con los resultados experimentales y observacionales.
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Sin embargo, hay un problema molesto.
Las ecuaciones centrales de la relatividad general, denominadas ecuaciones de campo de Einstein, modelan la gravedad al relacionar la curvatura del espacio-tiempo (o, más bien, los cambios locales en la curvatura) con el contenido de ese espacio en ese momento (en términos de energía, momento, presión , etc.) GR trata todo esto de una manera continua y no cuántica, pero ya sabemos por otras áreas de la física que los contenidos del espacio, al menos, en realidad se comportan mecánicamente cuánticamente. Esto presenta un problema teórico obvio (aunque en la práctica solo se vuelve relevante en condiciones muy extremas), que potencialmente se puede resolver de una de tres maneras:
- Las ecuaciones de campo de Einstein / el modelo GR en su conjunto tienen fallas de alguna manera fundamental, y el próximo avance teórico con respecto a la gravedad tendrá que comenzar más o menos desde cero. (Esto es increíblemente improbable, dada la cantidad de fenómenos previamente desconocidos que GR logró predecir de antemano con precisión cuantitativa).
- El EFE necesita ser modificado de alguna manera para deshacerse de la “cuantidad” de los términos que describen los contenidos del espacio.
La forma más directa de hacer esto es tomar el “valor de expectativa” (un promedio estadísticamente ponderado) de los contenidos del espacio como lo describe la teoría cuántica. Esto “funciona”, ya que permite que el resto de GR permanezca sin cambios sin contradecir directamente la descripción cuántica de las otras interacciones de partículas, pero conlleva el olor distintivo de la aproximación.
La teoría de campo cuántico, los experimentos de prueba de Bell, y básicamente todo el resto de la física, muestran inequívocamente que al menos algunos aspectos de la “rareza cuántica” son propiedades inevitablemente verdaderas de los estados de las partículas. ¿Cómo, entonces, podrían las interacciones gravitacionales de estas partículas ignorar por completo esa “rareza”? ¿Cómo puede la curvatura del espacio-tiempo depender, determinísticamente , de las propiedades estadísticas de cuáles podrían ser sus contenidos ?
Incluso desde dentro de la mentalidad de “cállate y calcula” que es la norma entre la mayoría de los físicos (un mal necesario si realmente quieres usar la mecánica cuántica para las cosas), esto cruza una línea. La suspensión de la incredulidad filosófica solo puede recibir una gran paliza antes de que se rompa.
No es para nada sorprendente que estos “valores de expectativa” produzcan una muy buena aproximación en la mayoría de las circunstancias, y que, por lo tanto, es un método valioso para desarrollar, pero parece muy poco probable que sea del todo correcto.
- El EFE debe modificarse de alguna manera para incluir la “cuantidad” en los términos que describen la curvatura del espacio-tiempo, es decir, necesitamos encontrar una manera de cuantificar la métrica del espacio-tiempo.
Este fue el camino más obvio. Todo lo demás que sabíamos podría ser (a) expresado en términos de un campo dinámico, y luego (b) bellamente modelado por una teoría del campo cuántico. Entonces, ¿por qué no hacer lo mismo con la gravedad, que ya se expresó en términos de un campo dinámico (el tensor métrico)? De hecho, dados los argumentos en el n. ° 2, este parece ser el único camino razonable a seguir.
También hay pistas adicionales de que QFT puede ser apropiado para la gravedad. Por ejemplo, GR ya predice ondas gravitacionales que viajan a [matemáticas] c [/ matemáticas] (consistente con las observaciones de GW hasta ahora, aunque todavía hay mucha incertidumbre). También predice que la fuerza de gravedad efectiva sigue la “ley del cuadrado inverso” de Newton en el límite de campos débiles / objetos lentos. Mientras tanto, QFT nos dice categóricamente que todas las fuerzas que puede describir que siguen una ley del cuadrado inverso en el límite clásico (como la electrostática) están mediadas por portadores de fuerza sin masa (como los fotones). En contraste, las fuerzas nucleares débiles y (residuales) fuertes, que están mediadas por portadores de fuerza masiva , tienen fuerzas que caen exponencialmente con la distancia. Esto es relevante porque, como hemos sabido desde el advenimiento de la Relatividad Especial (una década antes de GR), todas las partículas sin masa deben viajar a [matemáticas] c [/ matemáticas]. Todo esto se alinea tan bien que casi está rogando que GR se exprese en términos de portadores de fuerza sin masa (gravitones).
Desafortunadamente, la caja de herramientas estándar de trucos físicos y matemáticos que hemos desarrollado para construir teorías de campo cuántico que realmente dan predicciones utilizables (un negocio muy complicado) no funciona para la métrica del espacio-tiempo. La teoría de campo cuántico resultante es “no renormalizable”, lo que significa que los cálculos estándar producen valores infinitos que (a diferencia de otras QFT) no sabemos cómo deshacernos, lo que hace que la teoría sea inutilizable. Este problema ha evadido la solución durante bastante tiempo, lo que, dada su obvia importancia teórica, dice algo sobre lo difícil que es. Un gran número de personas muy inteligentes han estado probando una amplia gama de cosas increíblemente inteligentes (ninguna de las cuales realmente entiendo) durante varias décadas, pero, aunque han aprendido mucho y avanzado considerablemente en el campo, todavía no se han agrietado eso.
Sin embargo, parece que este debe ser el camino a seguir, incluso si el camino es difícil; ciertamente no nos rendiremos en el corto plazo.
Si el n. ° 3 es el correcto, entonces la métrica del espacio-tiempo está cuantificada en naturaleza, y llamaremos a sus cuantos “gravitones”. Entonces, si y cuando realmente logramos construir (¡y probar!) Una teoría adecuada de la gravedad cuántica, y funciona, eso sería una evidencia experimental / observacional indirecta extremadamente convincente para los gravitones. Mientras tanto, sin embargo, todo lo que tenemos son pistas teóricas, como las discutidas anteriormente.
