Grawitacja kwantowa - Quantum gravity

Grawitacja kwantowa ( QG ) to dziedzina fizyki teoretycznej, która stara się opisać grawitację zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej i gdzie efekty kwantowe nie mogą być ignorowane, na przykład w pobliżu czarnych dziur lub podobnych zwartych obiektów astrofizycznych, gdzie efekty grawitacji są silne, takie jak gwiazdy neutronowe .

Trzy z czterech podstawowych sił fizycznych opisano w ramach mechaniki kwantowej i kwantowej teorii pola . Obecny stan wiedzy na czwartej siły, wagi , opiera się na Einsteina jest OTW , które formułuje się w zupełnie inny ramach klasycznej fizyki . Jednak opis ten jest niepełny: opisując pole grawitacyjne czarnej dziury w ogólnej teorii względności, wielkości fizyczne, takie jak krzywizna czasoprzestrzeni, rozchodzą się w centrum czarnej dziury.

Sygnalizuje to załamanie ogólnej teorii względności i potrzebę teorii wykraczającej poza ogólną teorię względności do kwantu. W odległościach bardzo zbliżonych do środka czarnej dziury (bliższych niż długość Plancka ) oczekuje się , że kwantowe fluktuacje czasoprzestrzeni będą odgrywać ważną rolę. Aby opisać te efekty kwantowe, potrzebna jest teoria grawitacji kwantowej. Taka teoria powinna pozwolić na rozszerzenie opisu bliżej środka i może nawet pozwolić na zrozumienie fizyki w centrum czarnej dziury. Na bardziej formalnych podstawach można argumentować, że system klasyczny nie może być konsekwentnie sprzężony z systemem kwantowym.

Dziedzina grawitacji kwantowej aktywnie się rozwija, a teoretycy badają różne podejścia do problemu grawitacji kwantowej, z których najpopularniejsze to M-teoria i pętlowa grawitacja kwantowa . Wszystkie te podejścia mają na celu opisanie kwantowego zachowania pola grawitacyjnego . Niekoniecznie oznacza to ujednolicenie wszystkich fundamentalnych interakcji w jedną ramę matematyczną. Jednak wiele podejść do grawitacji kwantowej, takich jak teoria strun, próbuje opracować strukturę opisującą wszystkie podstawowe siły. Takie teorie często określa się mianem teorii wszystkiego . Inne, takie jak pętlowa grawitacja kwantowa, nie podejmują takiej próby; zamiast tego starają się skwantować pole grawitacyjne, gdy jest ono oddzielone od innych sił.

Jedną z trudności w sformułowaniu teorii grawitacji kwantowej jest to, że efekty grawitacji kwantowej pojawiają się tylko w skalach długości zbliżonych do skali Plancka , około 10–35 metrów, skali znacznie mniejszej, a zatem dostępnej tylko przy znacznie wyższych energiach niż te dostępne obecnie w akceleratory cząstek o wysokiej energii . Dlatego też fizycy nie mają danych eksperymentalnych, które mogłyby rozróżnić proponowane konkurujące teorie, dlatego sugeruje się podejście eksperymentu myślowego jako narzędzie testowe dla tych teorii.

Przegląd

Nierozwiązany problem w fizyce :

Jak można połączyć teorię mechaniki kwantowej z teorią ogólnej teorii względności / siły grawitacyjnej i zachować poprawność w mikroskopijnych skalach długości? Jakie weryfikowalne przewidywania zawiera każda teoria grawitacji kwantowej?

(więcej nierozwiązanych problemów z fizyki)
Schemat przedstawiający miejsce grawitacji kwantowej w hierarchii teorii fizycznych

Wiele trudności w powiązaniu tych teorii we wszystkich skalach energetycznych wynika z różnych założeń, jakie te teorie przyjmują na temat funkcjonowania wszechświata. Ogólna teoria względności modeluje grawitację jako krzywiznę czasoprzestrzeni : w sloganie Johna Archibalda Wheelera : „Przestrzeń mówi materii, jak się poruszać; materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zakrzywiać”. Z drugiej strony, kwantowa teoria pola jest zwykle formułowana w płaskiej czasoprzestrzeni używanej w szczególnej teorii względności . Żadna teoria nie okazała się dotychczas skuteczna w opisaniu ogólnej sytuacji, w której dynamika materii, modelowana za pomocą mechaniki kwantowej, wpływa na krzywiznę czasoprzestrzeni. Jeśli spróbujemy potraktować grawitację jako po prostu kolejne pole kwantowe, powstałej teorii nie da się zrenormalizować . Nawet w prostszym przypadku, w którym krzywizna czasoprzestrzeni jest ustalona a priori, rozwój kwantowej teorii pola staje się trudniejszym matematycznie, a wiele pomysłów, które fizycy stosują w kwantowej teorii pola na temat płaskiej czasoprzestrzeni, nie ma już zastosowania.

Powszechna jest nadzieja, że ​​teoria grawitacji kwantowej pozwoli nam zrozumieć problemy bardzo wysokich energii i bardzo małych wymiarów przestrzeni, takie jak zachowanie czarnych dziur i pochodzenie wszechświata .

Mechanika kwantowa i ogólna teoria względności

Sonda grawitacyjna B (GP-B) zmierzyła krzywiznę czasoprzestrzeni w pobliżu Ziemi, aby przetestować powiązane modele w zastosowaniu ogólnej teorii względności Einsteina.

Grawiton

Główny artykuł: grawiton

Obserwacja, że ​​wszystkie fundamentalne siły z wyjątkiem grawitacji mają jedną lub więcej znanych cząstek przekaźnikowych, prowadzi naukowców do przekonania, że ​​przynajmniej jedna musi istnieć dla grawitacji. Ta hipotetyczna cząstka znana jest jako grawiton . Cząstki te działają jak cząstka siły, podobna do fotonu oddziaływania elektromagnetycznego. Przy łagodnych założeniach struktura ogólnej teorii względności wymaga od nich przestrzegania mechaniki kwantowej opisu interakcji teoretycznych cząstek bezmasowych o spinie 2. Wiele przyjętych od lat 70. koncepcji jednolitej teorii fizyki zakłada istnienie grawitonu i do pewnego stopnia od niego zależy. Twierdzenie Weinberga-Wittena nakłada pewne ograniczenia na teorie, w których grawiton jest cząstką złożoną . Chociaż grawitony są ważnym krokiem teoretycznym w kwantowo-mechanicznym opisie grawitacji, ogólnie uważa się, że są niewykrywalne, ponieważ oddziałują zbyt słabo.

Brak renormalizacji grawitacji

Dalsze informacje: Renormalizacja i asymptotyczne bezpieczeństwo w grawitacji kwantowej

Ogólna teoria względności, podobnie jak elektromagnetyzm , jest klasyczną teorią pola . Można by się spodziewać, że podobnie jak w przypadku elektromagnetyzmu, siła grawitacyjna również powinna mieć odpowiednią teorię pola kwantowego .

Jednak grawitacja jest perturbacyjnie nierenormalizowana . Aby kwantowa teoria pola była dobrze zdefiniowana zgodnie z takim rozumieniem tematu, musi być asymptotycznie wolna lub asymptotycznie bezpieczna . Teoria musi się charakteryzować wyborem skończenie wielu parametrów, które w zasadzie można ustalić eksperymentalnie. Na przykład w elektrodynamice kwantowej parametrami tymi są ładunek i masa elektronu, mierzone w określonej skali energetycznej.

Z drugiej strony, w kwantowaniu grawitacji w teorii perturbacji istnieje nieskończenie wiele niezależnych parametrów (współczynników przeciwtermów) potrzebnych do zdefiniowania teorii. Dla danego wyboru tych parametrów można by mieć sens teorii, ale ponieważ niemożliwe jest przeprowadzanie nieskończonych eksperymentów w celu ustalenia wartości każdego parametru, argumentowano, że w teorii perturbacji nie ma żadnego sensownego fizycznego teoria. Przy niskich energiach logika grupy renormalizacji mówi nam, że pomimo nieznanego wyboru tych nieskończenie wielu parametrów, grawitacja kwantowa zredukuje się do zwykłej teorii ogólnej teorii względności Einsteina. Z drugiej strony, gdybyśmy mogli badać bardzo wysokie energie, gdzie efekty kwantowe przejmują kontrolę, wtedy każdy z nieskończenie wielu nieznanych parametrów zacząłby mieć znaczenie i nie moglibyśmy w ogóle przewidzieć.

Można sobie wyobrazić, że w poprawnej teorii grawitacji kwantowej nieskończenie wiele nieznanych parametrów zmniejszy się do skończonej liczby, którą można następnie zmierzyć. Jedną z możliwości jest to, że normalny rachunek zaburzeń nie jest niezawodnym przewodnikiem po renormalizability teorii, i że tam naprawdę jest UV stałym punktem dla grawitacji. Ponieważ jest to kwestia nieperturbacyjnej kwantowej teorii pola, znalezienie wiarygodnej odpowiedzi jest trudne, realizowane w asymptotycznym programie bezpieczeństwa . Inną możliwością jest to, że istnieją nowe, nieodkryte zasady symetrii, które ograniczają parametry i redukują je do skończonego zbioru. Jest to droga obrana przez teorię strun , w której wszystkie wzbudzenia struny zasadniczo manifestują się jako nowe symetrie.

Grawitacja kwantowa jako efektywna teoria pola

Główny artykuł: Efektywna teoria pola

W efektywnej teorii pola nie wszystkie z nieskończonego zestawu parametrów w teorii niepodlegającej renormalizacji są tłumione przez ogromne skale energii, a zatem można je pominąć przy obliczaniu efektów niskoenergetycznych. Tak więc, przynajmniej w reżimie niskoenergetycznym, model jest predykcyjną kwantową teorią pola. Co więcej, wielu teoretyków twierdzi, że Model Standardowy powinien być uważany za efektywną teorię pola, z „niepodlegającymi renormalizacji” interakcjami tłumionymi przez duże skale energii i której skutków w konsekwencji nie zaobserwowano eksperymentalnie.

Traktując ogólną teorię względności jako skuteczną teorię pola , można w rzeczywistości dokonywać uzasadnionych prognoz dotyczących grawitacji kwantowej, przynajmniej dla zjawisk niskoenergetycznych. Przykładem jest dobrze znane obliczenie maleńkiej kwantowo-mechanicznej poprawki pierwszego rzędu do klasycznego newtonowskiego potencjału grawitacyjnego między dwiema masami.

Zależność tła czasoprzestrzeni

Główny artykuł: niezależność tła

Fundamentalną lekcją ogólnej teorii względności jest to, że nie ma ustalonego tła czasoprzestrzeni, jakie można znaleźć w mechanice Newtona i szczególnej teorii względności ; geometria czasoprzestrzeni jest dynamiczna. Choć w zasadzie prosty do zrozumienia, jest to złożony pomysł do zrozumienia ogólnej teorii względności, a jego konsekwencje są głębokie i nie w pełni zbadane, nawet na poziomie klasycznym. Do pewnego stopnia ogólna teoria względności może być postrzegana jako teoria relacji , w której jedyną fizycznie istotną informacją jest związek między różnymi zdarzeniami w czasoprzestrzeni.

Z drugiej strony mechanika kwantowa od początku opierała się na stałej strukturze tła (niedynamicznej). W przypadku mechaniki kwantowej jest to czas, który jest dany, a nie dynamiczny, jak w klasycznej mechanice Newtona. W relatywistycznej kwantowej teorii pola, podobnie jak w klasycznej teorii pola, czasoprzestrzeń Minkowskiego stanowi stałe tło teorii.

Teoria strun

Interakcje w subatomowych świata: linie świata z punktowych cząstek w Modelu Standardowego lub arkusza światowej przetoczyła się przez zamkniętych ciągów w teorii strun

Teorię strun można postrzegać jako uogólnienie kwantowej teorii pola, w której zamiast cząstek punktowych obiekty strunopodobne rozchodzą się na ustalonym tle czasoprzestrzeni, chociaż interakcje między zamkniętymi strunami powodują powstanie czasoprzestrzeni w sposób dynamiczny. Chociaż teoria strun wywodzi się z badań nad uwięzieniem kwarków, a nie z grawitacją kwantową, wkrótce odkryto, że widmo strun zawiera grawiton i że „kondensacja” pewnych modów drgań strun jest równoważna modyfikacji pierwotnego tła. . W tym sensie teoria zaburzeń strun wykazuje dokładnie te cechy, jakich można by oczekiwać od teorii zaburzeń, która może wykazywać silną zależność od asymptotyki (jak widać na przykład w korespondencji AdS/CFT ), która jest słabą formą zależności tła .

Teorie niezależne od tła

Pętla grawitacji kwantowej jest owocem wysiłków zmierzających do sformułowania teorii kwantowej niezależnej od tła .

Topologiczna kwantowa teoria pola stanowiła przykład niezależnej od tła teorii kwantowej, ale bez lokalnych stopni swobody i tylko ze skończoną liczbą stopni swobody w skali globalnej. Jest to niewystarczające do opisania grawitacji w wymiarach 3+1, która ma lokalne stopnie swobody zgodnie z ogólną teorią względności. Jednak w wymiarach 2+1 grawitacja jest topologiczną teorią pola i została z powodzeniem skwantowana na kilka różnych sposobów, w tym sieci spinowe .

Półklasyczna grawitacja kwantowa

Główne artykuły: kwantowa teoria pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni i półklasyczna grawitacja

Kwantowa teoria pola na zakrzywionych (nie Minkowskich) tłach, choć nie jest pełną kwantową teorią grawitacji, wykazała wiele obiecujących wczesnych wyników. W analogiczny sposób do rozwoju elektrodynamiki kwantowej na początku XX wieku (kiedy fizycy rozważali mechanikę kwantową w klasycznych polach elektromagnetycznych), rozważanie teorii pola kwantowego na zakrzywionym tle doprowadziło do prognoz, takich jak promieniowanie czarnej dziury.

Zjawiska takie jak efekt Unruha , w którym cząstki występują w pewnych przyspieszających kadrach, ale nie w nieruchomych, nie sprawiają trudności, gdy rozpatrujemy je na zakrzywionym tle (efekt Unruha występuje nawet na płaskich tłach Minkowskiego). Stan próżni jest stanem o najmniejszej energii (i może, ale nie musi, zawierać cząstki).

Problem czasu

Główny artykuł: Problem czasu

Konceptualna trudność w łączeniu mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności wynika z przeciwstawnej roli czasu w tych dwóch ramach. W teoriach kwantowych czas pełni rolę niezależnego tła, na którym ewoluują stany, a operator Hamiltona działa jako generator nieskończenie małych przesunięć stanów kwantowych w czasie. W przeciwieństwie do tego, ogólna teoria względności traktuje czas jako zmienną dynamiczną, która ma bezpośredni związek z materią, a ponadto wymaga zaniku ograniczenia hamiltonowskiego. Ponieważ tę zmienność czasu zaobserwowano makroskopowo , wyklucza to wszelką możliwość zastosowania ustalonego pojęcia czasu, podobnego do pojęcia czasu w teorii kwantowej, na poziomie makroskopowym.

Teorie kandydackie

Istnieje wiele proponowanych teorii grawitacji kwantowej. Obecnie wciąż nie ma kompletnej i spójnej kwantowej teorii grawitacji, a modele kandydackie wciąż muszą przezwyciężyć poważne problemy formalne i koncepcyjne. Stają również w obliczu powszechnego problemu, że jak dotąd nie ma możliwości poddania prognoz grawitacji kwantowej testom eksperymentalnym, chociaż istnieje nadzieja, że ​​to się zmieni, gdy pojawią się przyszłe dane z obserwacji kosmologicznych i eksperymentów fizyki cząstek elementarnych.

Teoria strun

Główny artykuł: teoria strun
Rzutowanie rozmaitości Calabiego-Yau , jeden ze sposobów zagęszczania dodatkowych wymiarów postulowanych przez teorię strun

Główną ideą teorii strun jest zastąpienie klasycznej koncepcji cząstki punktowej w kwantowej teorii pola teorią kwantową jednowymiarowych obiektów rozszerzonych: teorią strun . Przy energiach osiąganych w obecnych eksperymentach struny te są nie do odróżnienia od cząstek punktowych, ale, co najważniejsze, różne tryby oscylacji tego samego typu podstawowej struny pojawiają się jako cząstki o różnych ładunkach ( elektrycznych i innych) . W ten sposób teoria strun zapowiada się na ujednolicony opis wszystkich cząstek i oddziaływań. Teoria jest skuteczna w tym, że jeden mod zawsze będzie odpowiadał grawitonowi , posłannikowi grawitacji; jednak ceną tego sukcesu są niezwykłe cechy, takie jak sześć dodatkowych wymiarów przestrzeni oprócz zwykłych trzech dla przestrzeni i jednego dla czasu.

W ramach tak zwanej drugiej rewolucji superstrun przypuszczano, że zarówno teoria strun, jak i ujednolicenie ogólnej teorii względności i supersymetrii, znana jako supergrawitacja, stanowią część hipotetycznego, jedenastowymiarowego modelu znanego jako M-teoria , który stanowiłby jednoznacznie zdefiniowany i spójny teoria grawitacji kwantowej. Jednak w obecnym rozumieniu teoria strun dopuszcza bardzo dużą liczbę ( 10500 według niektórych szacunków) spójnej próżni, obejmującej tak zwany „ krajobraz strun ”. Sortowanie w tej dużej rodzinie rozwiązań pozostaje poważnym wyzwaniem.

Pętla grawitacji kwantowej

Główny artykuł: Pętla grawitacji kwantowej
Prosta sieć spinowa typu używanego w pętli kwantowej grawitacji

Pętla grawitacji kwantowej poważnie rozważa odkrycie ogólnej teorii względności, że czasoprzestrzeń jest polem dynamicznym, a zatem jest obiektem kwantowym. Drugim pomysłem jest to, że dyskrecja kwantowa, która determinuje podobne do cząstek zachowanie innych teorii pola (na przykład fotonów pola elektromagnetycznego), wpływa również na strukturę przestrzeni.

Głównym wynikiem pętli kwantowej grawitacji jest wyprowadzenie ziarnistej struktury przestrzeni na długości Plancka. Wynika to z następujących rozważań: W przypadku elektromagnetyzmu operator kwantowy reprezentujący energię każdej częstotliwości pola ma widmo dyskretne. W ten sposób energia każdej częstotliwości jest skwantowana, a kwantami są fotony. W przypadku grawitacji operatory reprezentujące obszar i objętość każdej powierzchni lub regionu przestrzeni również mają dyskretne widma. Zatem powierzchnia i objętość dowolnej części przestrzeni są również skwantowane, przy czym kwanty są kwantami elementarnymi przestrzeni. Wynika z tego, że czasoprzestrzeń ma elementarną kwantową strukturę ziarnistą w skali Plancka, która odcina nieskończoność ultrafioletową kwantowej teorii pola.

Stan kwantowy czasoprzestrzeni opisany jest w teorii za pomocą matematycznej struktury zwanej sieciami spinowymi . Sieci spinowe zostały początkowo wprowadzone przez Rogera Penrose'a w formie abstrakcyjnej, a później, jak wykazali Carlo Rovelli i Lee Smolin, wywodzą się naturalnie z nieperturbacyjnej kwantyzacji ogólnej teorii względności. Sieci spinowe nie reprezentują stanów kwantowych pola w czasoprzestrzeni: reprezentują bezpośrednio stany kwantowe czasoprzestrzeni.

Teoria ta opiera się na przeformułowaniu ogólnej teorii względności znanej jako zmienne Ashtekara , która reprezentuje grawitację geometryczną przy użyciu matematycznych analogów pól elektrycznych i magnetycznych . W teorii kwantowej przestrzeń jest reprezentowana przez strukturę sieci zwaną siecią spinową , ewoluującą w czasie w dyskretnych krokach.

Dynamika teorii jest dziś konstruowana w kilku wersjach. Jedna wersja zaczyna się od kanonicznej kwantyzacji ogólnej teorii względności. Analog z równania Schrödingera jest równanie Wheeler, DeWitt , które mogą być zdefiniowane w teorii. W kowariantnym, czyli spienionym sformułowaniu teorii, dynamika kwantowa jest uzyskiwana poprzez sumę dyskretnych wersji czasoprzestrzeni, zwanych spinfoamami. Reprezentują one historie sieci spinowych.

Inne teorie

Istnieje wiele innych podejść do grawitacji kwantowej. Teorie różnią się w zależności od tego, które cechy ogólnej teorii względności i teorii kwantowej są akceptowane bez zmian, a które są modyfikowane. Przykłady obejmują:

Testy eksperymentalne

Jak podkreślono powyżej, efekty grawitacji kwantowej są niezwykle słabe i dlatego trudne do przetestowania. Z tego powodu możliwość eksperymentalnego testowania grawitacji kwantowej nie cieszyła się zbytnią uwagą przed końcem lat 90. XX wieku. Jednak w ostatniej dekadzie fizycy zdali sobie sprawę, że dowody na kwantowe efekty grawitacyjne mogą kierować rozwojem teorii. Ponieważ rozwój teoretyczny był powolny, coraz większą uwagę zyskała dziedzina fenomenologicznej grawitacji kwantowej , która bada możliwość badań eksperymentalnych.

Do najszerzej poszukiwanych możliwości fenomenologii kwantowej grawitacji należą naruszenia niezmienności Lorentza , odciski kwantowych efektów grawitacyjnych w kosmicznym mikrofalowym tle (w szczególności jego polaryzacja) oraz dekoherencja wywołana fluktuacjami piany czasoprzestrzennej .

ESA jest INTEGRAL satelitarnej mierzona polaryzacji fotonów o różnych długościach fal i był w stanie umieścić ograniczenia na ziarnistość powierzchni, które jest mniejsze niż 10 -48 m lub 13 rzędów wielkości poniżej skali Plancka.

Eksperyment BICEP2 wykryte co początkowo uważano za pierwotną polaryzacja B-mode spowodowane przez fale grawitacyjne we wczesnym Wszechświecie. Gdyby sygnał faktycznie miał pierwotne pochodzenie, mógłby wskazywać na kwantowe efekty grawitacyjne, ale wkrótce okazało się, że polaryzacja była spowodowana interferencją pyłu międzygwiazdowego .

Eksperyment opublikowany w czerwcu 2021 r. rzekomo zrobił pierwszy krok w kierunku testowania grawitacji kwantowej za pomocą splątania , w którym system atomów został uwięziony przez światło. Patrząc pod kątem prostym, „korelacje długodystansowe w tym systemie opisują geometrię podobną do drzewa, podobną do tych obserwowanych w prostych modelach wyłaniającej się czasoprzestrzeni”.

Eksperymenty myślowe

Jak wyjaśniono powyżej, efekty grawitacji kwantowej są niezwykle słabe i dlatego trudne do przetestowania. Z tego powodu eksperymenty myślowe stają się ważnym narzędziem teoretycznym. Ważny aspekt grawitacji kwantowej dotyczy kwestii sprzężenia spinu i czasoprzestrzeni. Chociaż oczekuje się, że spin i czasoprzestrzeń będą sprzężone, dokładna natura tego sprzężenia jest obecnie nieznana. W szczególności, i co najważniejsze, nie wiadomo, w jaki sposób spin kwantowy powoduje grawitację i jaka jest prawidłowa charakterystyka czasoprzestrzeni pojedynczej półcząstki spinowej. Aby przeanalizować to pytanie, zaproponowano eksperymenty myślowe w kontekście informacji kwantowej. Ta praca pokazuje, że w celu uniknięcia naruszenia relatywistycznej przyczynowości, mierzalna czasoprzestrzeń wokół połowy cząstki spinowej (ramka spoczynkowa) musi być sferycznie symetryczna - tj. albo czasoprzestrzeń jest sferycznie symetryczna, albo w jakiś sposób mierzy czasoprzestrzeń (np. czas). pomiary dylatacji) powinny wytworzyć pewnego rodzaju działanie wsteczne, które wpływa i zmienia spin kwantowy.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki