Pergunte ao Ethan nº 91: A gravidade quântica precisa da teoria das cordas?
Crédito da imagem: Luca Pozzi, via http://science.psu.edu/alert/photos/research-photos/physics/Ashtekarearlyuniversepozzi.jpg/view.
Se a Teoria das Cordas não tem nada a ver com a realidade, quais são nossas opções?
Eu só acho que muitas coisas boas aconteceram na teoria das cordas para que tudo esteja errado. Os humanos não entendem muito bem, mas eu simplesmente não acredito que exista uma grande conspiração cósmica que criou essa coisa incrível que não tem nada a ver com o mundo real. – Edward Witten
Não há dúvida de que, do ponto de vista matemático, não faltam frameworks incríveis, bonitos e elegantes por aí. Mas não todo deles são relevantes para o nosso Universo físico. Parece que para cada ideia brilhante que descreve com precisão o que podemos observar e medir, há pelo menos uma ideia igualmente brilhante que tenta descrever as mesmas coisas que se revelam completamente erradas. Depois de um clamor na semana passada para uma coluna sobre uma das alternativas da Teoria das Cordas, encontrei esta jóia de Kent enquanto vasculhava o perguntas e sugestões para a semana:
Espero que você tenha tempo para dedicar um artigo à gravidade quântica em breve. Em particular, gostaria de saber se houve algum progresso neste campo nos últimos cinco a dez anos. Da minha perspectiva não especialista, parece que o campo está parado por um tempo desde que a teoria das cordas começou a cair em desuso por razões de testabilidade e ter 10 ^ 500 soluções possíveis. Isso é verdade, ou há progresso sendo feito nos bastidores que simplesmente não recebeu tanta imprensa?
Em primeiro lugar, há uma grande diferença entre a ideia de gravidade quântica, a solução da Teoria das Cordas (ou proposto solução) e outras alternativas.
Crédito da imagem: David Champion.
Vamos começar com o Universo que conhecemos e amamos. Por um lado, há a Relatividade Geral, nossa teoria da gravitação. Ele afirma que, em vez de ser uma simples ação à distância que Newton postulou, onde todas as massas em todos os locais exercem forças umas sobre as outras inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre elas, havia um mecanismo muito mais sutil para a ação. coisa toda.
A massa, como Einstein estabeleceu com o princípio da equivalência e E = mc^2 em 1907, era apenas uma forma de energia no Universo. Essa energia, por sua vez, deformaria o próprio tecido do espaço-tempo, alterando o caminho que todos os objetos seguiriam e curvando o que um observador perceberia como uma grade cartesiana. Os objetos não aceleram devido a uma força invisível, mas viajam ao longo do caminho definido por todo o estresse causado por todas as diferentes formas de energia do Universo.
Isso é gravidade.
Crédito da imagem: CPEP (Projeto de Educação Física Contemporânea), NSF/DOE/LBNL.
Por outro lado, temos as outras leis da natureza: as quânticas. Há o eletromagnetismo, que é governado por partículas eletricamente carregadas, seus movimentos, e é descrito pela partícula portadora de força do fóton, que medeia essas interações e dá origem aos fenômenos que associamos à eletrostática e ao magnetismo. Existem também duas forças nucleares: a força nuclear fraca , que é responsável por fenômenos como o decaimento radioativo, e o força nuclear forte , que une núcleos atômicos e permite que prótons e nêutrons existam em primeiro lugar.
Os cálculos para essas forças são normalmente feitos em apartamento espaço-tempo, que é como todo estudante de pós-graduação aprende pela primeira vez a teoria quântica de campos. Mas isso é inadequado quando estamos na presença do espaço curvo exigido pela Relatividade Geral.
Crédito da imagem: 2015 TET Group, Universidade de Leipzig, via http://home.uni-leipzig.de/tet/?page_id=89 .
Então, você raciocina, vamos simplesmente fazer nossos cálculos da teoria quântica de campos no fundo do espaço curvo! Isso é conhecido como gravidade semiclássica, e é esse tipo de cálculo que nos permite calcular coisas como a radiação Hawking. Mas mesmo isso é apenas no horizonte de eventos do próprio buraco negro, não no local onde a gravidade é realmente mais forte. Como Sabine Hossenfelder explicou elegantemente , existem várias instâncias físicas em que precisamos de uma teoria quântica da gravidade, todas relacionadas à física gravitacional na menor das escalas: em pequenas distâncias.
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
O que acontece, por exemplo, nas localizações centrais dos buracos negros? Você pode pensar, oh, há uma singularidade, mas uma singularidade não é tanto um ponto de densidade infinita, mas é mais provável que a matemática da Relatividade Geral retorne respostas sem sentido para coisas como potenciais e forças. O que acontece quando, digamos, um elétron passa por uma fenda dupla?
Crédito da imagem: 2012 Perimeter Institute for Theoretical Physics, via https://www.perimeterinstitute.ca/research/research-areas/quantum-foundations/more-quantum-foundations .
O campo gravitacional passa pelas duas fendas? Através de um ou outro? Na Relatividade Geral, não há como explicar isso.
Pensa-se que deve haver uma teoria quântica da gravidade para explicar esses e outros problemas inerentes a uma teoria suave da gravidade como a Relatividade Geral. Para explicar o que acontece a curtas distâncias na presença de fontes gravitacionais – ou massas – precisamos de um método quântico, discreto e, portanto, baseado em partículas teoria da gravidade.
Graças às propriedades da própria Relatividade Geral, existem algumas coisas que já sabemos.
Crédito de imagem: Mattson Rosenbaum, viahttp://mindblowingphysics.pbworks.com/w/page/52043997/The%20Four%20Forces%202012.
As forças quânticas conhecidas são mediadas por partículas conhecidas como bósons, ou partículas com spin inteiro. O fóton medeia a força eletromagnética, os bósons W e Z mediam a força fraca, enquanto os glúons mediam a força forte. Todos esses tipos de partículas têm um spin de 1, o que para partículas massivas (W e Z) significa que elas podem assumir valores de spin de -1, 0 ou +1, enquanto para partículas sem massa (como glúons e fótons), eles podem assumir valores de -1 ou +1 apenas.
O bóson de Higgs também é um bóson, embora não media nenhuma força, e tem um spin de 0. Por causa do que sabemos sobre gravitação — a Relatividade Geral é uma teoria tensorial da gravidade — ela deve ser mediada por uma partícula sem massa com um spin de 2, o que significa que pode assumir um valor de spin de -2 ou +2 apenas.
Crédito da imagem: Ethan Shipulski, viahttp://mindblowingphysics.pbworks.com/w/page/52081285/Graviton%202012.
Então, já sabemos algo sobre uma teoria quântica da gravidade, antes mesmo de tentarmos formular uma! Sabemos disso porque qualquer que seja a verdadeira teoria quântica da gravidade, ela devo ser consistente com a Relatividade Geral quando não estamos a distâncias muito pequenas de uma partícula ou objeto massivo, assim como a Relatividade Geral precisava reduzir a gravidade newtoniana no regime de campo fraco.
A grande questão, claro, é como? Como você quantifica a gravidade de uma maneira correta (para descrever a realidade), consistente (com GR e QFT) e esperançosamente leva a previsões calculáveis para novos fenômenos que podem ser observados, medidos ou testados de alguma forma.
O principal concorrente, é claro, é algo de que você já ouviu falar: Teoria das Cordas.
Crédito da imagem: WGBH Educational Foundation, via http://www.pbs.org/wgbh/nova/physics/conversation-with-brian-greene.html .
1.) Teoria das Cordas. A Teoria das Cordas é uma estrutura interessante - ela pode incluir todos os campos e partículas do modelo padrão, tanto os férmions quanto os bósons. Inclui também uma teoria da gravidade Tensor-Scalar de 10 dimensões: com 9 dimensões de espaço e 1 de tempo, e um parâmetro de campo escalar. Se apagarmos seis dessas dimensões espaciais (através de um processo definido de forma incompleta que as pessoas chamam de compactação ) e deixando o parâmetro (ω) que define a interação escalar ir até o infinito, podemos recuperar a Relatividade Geral.
Mas há toda uma série de problemas fenomenológicos com a Teoria das Cordas. Uma é que ele prevê um grande número de novas partículas, incluindo todas as supersimétricas, Nenhum dos quais foram encontrados. Ele afirma não precisar de parâmetros livres como o modelo padrão (para as massas das partículas), mas substitui esse problema por um ainda pior. Quando Kent se refere a 10^500 soluções possíveis, essas soluções se referem aos valores esperados de vácuo dos campos de string, e não há mecanismo para recuperá-los; se você quer que a Teoria das Cordas funcione, você precisa desistir da dinâmica e simplesmente dizer, bem, ela deve ter sido selecionada antropicamente.
Mas, apesar do que você pode ter ouvido, String Theory não é o único jogo na cidade.
Crédito da imagem: Manny Lorenzo, via http://fineartamerica.com/featured/loop-quantum-gravity-manny-lorenzo.html .
2.) Gravidade Quântica em Loop. O LQG é uma abordagem interessante do problema: ao invés de tentar quantizar partículas, o LQG tem como uma de suas características centrais que o próprio espaço é discreto. Imagine uma analogia comum para a gravidade: um lençol esticado, com uma bola de boliche no centro. Em vez de um tecido contínuo, porém, sabemos que o lençol em si é realmente quantizado, pois é composto de moléculas, que por sua vez são feitas de átomos, que por sua vez são feitos de núcleos (quarks e glúons) e elétrons.
O espaço pode ser da mesma forma! Talvez isso atos como um tecido, mas talvez seja feito de entidades finitas e quantizadas. E talvez seja feito de loops, que é de onde a teoria recebe o nome. Entrelace esses laços e você terá um girar rede , que representa um estado quântico do campo gravitacional. Nesta imagem, não apenas a matéria em si, mas o próprio espaço é quantizado. A maneira de passar dessa ideia de uma rede de spin para uma maneira talvez realista de fazer cálculos gravitacionais é uma área ativa de pesquisa, que viu um tremendo salto à frente feito em apenas 2007/8 , então isso ainda está avançando ativamente.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons &reasNink , gerado com Wolfram Mathematica 8.0.
3.) Gravidade Assintoticamente Segura. Este é o meu favorito pessoal das tentativas de uma teoria quântica da gravidade. Liberdade assintótica foi desenvolvido na década de 1970 para explicar a natureza incomum da interação forte: era uma força muito fraca a distâncias extremamente curtas, depois ficou mais forte à medida que as partículas carregadas (coloridas) se afastavam cada vez mais. Ao contrário do eletromagnetismo, que tinha uma constante de acoplamento muito pequena, a força forte tem uma constante grande. Devido a algumas propriedades interessantes do QCD, se você acabar com um sistema (cor) neutro, a força da interação cai rapidamente. Isso foi capaz de explicar propriedades como os tamanhos físicos de bárions (prótons e nêutrons, por exemplo) e mésons (píons, por exemplo).
Assintótico segurança , por outro lado, procura resolver um problema fundamental relacionado a isso: você não precisa de acoplamentos pequenos (ou acoplamentos que tendem a zero), mas sim que os acoplamentos sejam simplesmente finitos no limite de alta energia. Todas as constantes de acoplamento mudam com a energia, então o que a segurança assintótica faz é escolher um ponto fixo de alta energia para a constante (tecnicamente, para o grupo de renormalização, do qual a constante de acoplamento é derivada), e então todo o resto pode ser calculado em energias mais baixas.
Pelo menos, essa é a ideia! Descobrimos como fazer isso em 1+1 dimensões (um espaço e um tempo), mas ainda não em 3+1 dimensões. Ainda assim, houve progresso, principalmente por Christof Wetterich, que teve dois inovador papéis na década de 1990. Mais recentemente, Wetterich usou a segurança assintótica - apenas seis anos atrás - para calcular uma previsão para a massa do bóson de Higgs antes que o LHC o encontrasse. O resultado?
Crédito de imagem: Mikhail Shaposhnikov & Christof Wetterich.
Surpreendentemente, o que indicava estava perfeitamente alinhado com o que o LHC acabou encontrando. É uma previsão tão incrível que E se a segurança assintótica está correta e - quando as barras de erro são reduzidas ainda mais - as massas do quark top, do bóson W e do bóson de Higgs são finalizadas. pode nem ser necessário para quaisquer outras partículas fundamentais (como partículas SUSY) para que a física seja estável até a escala de Planck. Infelizmente, o novo livro de Richard Dawid sobre gravidade quântica, A Teoria das Cordas e o Método Científico — revisado excelentemente por Sabine em seu blog – nem sequer menciona a gravidade assintoticamente segura.
Não é apenas muito promissor, tem muitas das mesmas propriedades atraentes da teoria das cordas: quantiza a gravidade com sucesso, reduz a GR no limite de baixa energia e é UV-finito. Além disso, ele supera a teoria das cordas em pelo menos uma conta: não precisa de um monte de coisas novas para as quais não temos evidências! E é por isso que é o meu candidato favorito até agora.
Crédito da imagem: 2015 The University of Mississippi, via http://www.olemiss.edu/depts/physics_and_astronomy/research/gravitation.html .
4.) Triangulações Dinâmicas Causais. Essa ideia, CDT, é uma das novas crianças da cidade, desenvolvida pela primeira vez somente em 2000 por Renate Loll e expandido por outros desde então. É semelhante ao LQG em que o próprio espaço é discreto, mas está principalmente preocupado com a forma como o próprio espaço evolui. Uma propriedade interessante dessa ideia é que o tempo também deve ser discreto! Como uma característica interessante, ela nos dá um espaço-tempo de 4 dimensões (nem mesmo algo colocado a priori , mas algo que a teoria nos dá) no momento atual, mas em energias muito, muito altas e pequenas distâncias (como a escala de Planck), exibe uma estrutura bidimensional. É baseado em uma estrutura matemática chamada simples , que é um análogo multidimensional de um triângulo. Um simplex 2 é um triângulo, um simplex 3 é um tetraedro e assim por diante. Uma das boas características dessa opção é que a causalidade – uma noção considerada sagrada pela maioria dos seres humanos – é explicitamente preservada na CDT. (Sabine tem algumas palavras sobre CDT aqui , e os seus possível relação com gravidade assintoticamente segura .) Pode ser capaz de explicar a gravidade, mas não é 100% certo que o modelo padrão de partículas elementares possa se encaixar adequadamente nessa estrutura. São apenas os grandes avanços na computação que permitiram que isso se tornasse uma alternativa bastante bem estudada nos últimos tempos e, portanto, o trabalho nisso é contínuo e relativamente jovem.
Crédito da imagem: galeria flickr de J. Gabas Esteban .
5.) Gravidade emergente. Provavelmente a mais especulativa e recente das possibilidades da gravidade quântica, só ganhou destaque em 2009, quando Erik Verlinde propôs gravidade entrópica , um modelo onde a gravidade não era uma força fundamental, mas surgia como um fenômeno ligado à entropia. De fato, as sementes da gravidade emergente remontam ao descobridor das condições para gerando uma assimetria matéria-antimatéria , Andrei Sakharov, que propôs o conceito em 1967 . Esta pesquisa ainda está em sua infância, mas no que diz respeito aos desenvolvimentos nos últimos 5 a 10 anos, é difícil pedir mais do que isso.
Crédito da imagem: Dywiann Xyara do deviantART, via http://abstract-scientist.deviantart.com/ .
Então é aí que estamos na Gravidade Quântica hoje, Kent (e todos). Temos certeza de que precisamos dele para fazer o Universo funcionar em um nível fundamental, mas não temos certeza de como ele se parece ou se algum desses cinco caminhos vão se mostrar frutíferos ou não. A Teoria das Cordas é a mais bem estudada das cinco, a Gravidade Assintoticamente Segura é a minha preferência pessoal das cinco, a Gravidade Quântica em Loop é provavelmente a segunda mais popular entre os cientistas ativos das cinco, e as Triangulações Dinâmicas Causais e a Gravidade Emergente são as ideias mais recentes submetidas ao estudo. maior desenvolvimento da atualidade.
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