El papel de la gravedad entre las fuerzas fundamentales de la naturaleza

Esta es la gran historia de la física desde la época de Maxwell hasta hoy. Maxwell encontró formas de pensar en los campos eléctricos y campos magnéticos como aspectos de una cosa: el campo electromagnético. Lo tuvo fácil porque la energía característica relevante para unificarlos es cero: la masa del fotón.

Cuando los físicos descubrieron que los neutrones podían convertirse en protones y los protones en neutrones, las mediciones de las energías y los momentos de las partículas involucradas indicaron una masa característica de alrededor de 100 GeV. Las primeras teorías que usaban una "constante de Fermi" se vinieron abajo, pero Weingberg, Glashow y Salam, usando una idea de Peter Higgs, propusieron una buena teoría con bosones W y Z. Estos y el fotón son aspectos de un campo multidimensional. Luego se unificaron EM + débil, después de una verificación experimental suficiente, por supuesto.

La fuerza fuerte llegó a ser vista como una cuestión de gluones. Nadie ha unificado todavía la fuerza fuerte con la electrodébil. El rango de energía involucrado en esta unificación es muchas veces mayor. A pesar del gran esfuerzo de investigación desde la década de 1970, y de los quarks y gluones comúnmente aceptados como reales, sabemos muy poco sobre cómo se unifican con los leptones y las interacciones electrodébiles.

La idea clave es que cuando algo suficientemente complejo vibra, ya sea clásico o cuántico, los diferentes modos de vibración pueden empezar a parecer todos iguales, pero por lo general se emparejan o combinan de manera que conducen a fenómenos cualitativamente diferentes. Esas son palabras vagas y blandas. Un ejemplo para ilustrar: imagine dos péndulos idénticos uno al lado del otro, con una banda elástica débil o un resorte que los conecta. Los péndulos podrían comenzar a oscilar con cualquier amplitud diferente o cualquier fase relativa, pero un resorte débil hará que eventualmente se balanceen juntos con amplitudes idénticas. Este es el estado de menor energía. Otro estado es que oscilen exactamente en sentido opuesto, con las mismas amplitudes. Este estado oscila más rápido y se perturba fácilmente a su estado de energía más bajo + calor de desperdicio, sonido, fotones o cualquier forma en que el sistema se deshaga del exceso de energía.

Con los fotones, W y Z, ¿qué es lo que está ondeando? Nadie sabe. En algún nivel fundamental, algo en el "tejido" del espacio-tiempo se está sacudiendo. De alguna manera, tiene un modo de masa cero en el que todo oscila al mismo tiempo, con una longitud de onda de tiempo de frecuencia igual a la constante de velocidad fundamental c. También tiene modos de mayor energía donde esto no es así, sino con ondas caracterizadas por masas de unos 80 o 90 GeV. Algo acerca de estas vibraciones implica un movimiento opuesto, análogo a los péndulos que se balancean en sentido opuesto.

La vieja ilustración de la hoja de goma de la gravedad es falsa. El espacio-tiempo no tiene vibraciones longitudinales (movimiento a lo largo de la superficie) al menos no encaja bien con ninguna teoría. Las vibraciones y la flexión perpendicular a la superficie (es decir, a lo largo de la cuarta o más dimensiones fuera de nuestro 3D) corresponden a ondas gravitatorias y campos gravitatorios, aunque se perdió el punto. La gravedad, fuera de lugares locos como los agujeros negros, es principalmente una cuestión de tasa de tiempo. Este es un concepto difícil de explicar sin entrar en relatividad general y geometría diferencial. Si alguien tiene un cronómetro, descubrirá que tarda un minuto en pasar un minuto, sin importar dónde se encuentre. Se trata de comparar puntos cercanos del espacio: las cosas parecen suceder un poco más rápido para ti, como yo lo veo. Lea acerca del "desplazamiento al rojo gravitacional".

Escribir$\psi=A sin(2\pi f t)$es describir una oscilación. Esto nos dice la frecuencia y la amplitud, pero no nos dice si es un perno de acero que cuelga de una cuerda, una boya que flota en el mar o un sistema de control de aviónica que se ha vuelto inestable.

Para tratar de entender qué es lo que está haciendo vibrar, también podría elegir un libro sobre metafísica de la nueva era. Incluso la carga, el viejo + y - de electrones y quarks, es un misterio lo que realmente es. ¿Algún tipo de arruga o giro topológico de la sustancia fundamental? ¿Los campos electromagnéticos son algún tipo de tensión en esas cosas? Solo podemos escribir las ecuaciones que describen el comportamiento general como ondas.

Cualquiera que sea el espacio-tiempo-energía-materia de lo que está hecho fundamentalmente, pequeños parches superpuestos de espacio-pensamiento-goop, membranas 3D líquidas y temblorosas en un espacio dimensional superior, cuerdas o M-branas, quién sabe, todo lo que los físicos pueden hacer (por ahora) Se trata de describir matemáticamente las simetrías y energías y constantes de acoplamiento de las vibraciones.

A gran escala (es decir, no cuántica), describir la gravedad como una propiedad del espacio-tiempo funciona bien y, de hecho, es exactamente lo que hace la Relatividad General. El problema es que la ecuación que describe la curvatura del espacio-tiempo es:

donde la cantidad a la izquierda,$G_{ab}$, describe la curvatura y la cantidad a la derecha,$T_{ab}$, describe la materia que está presente.

El problema es que el asunto, es decir$T_{ab}$, está descrito por el Modelo Estándar y sabemos que está cuantificado. Entonces la ecuación tiene un no cuantificado$G_{ab}$a la izquierda y un cuantizado$T_{ab}$a la derecha, y equiparar una cantidad no cuantificada con una cuantificada no tiene sentido matemático.

Entonces, si bien la descripción GR de la gravedad funciona bien a gran escala, debe fallar en escalas donde los efectos cuánticos se vuelven importantes. A estas escalas, la gravedad debe cuantificarse y describirse mediante alguna teoría que incluya el modelo estándar y la relatividad general como aproximaciones de baja energía.

Primero, el modelo estándar no incluye la gravedad, sino solo las otras interacciones. Precisamente la búsqueda de una teoría unificada de las interacciones es la búsqueda de una teoría que integre el modelo estándar con el de la gravitación.

La causa de la gravedad es el esfuerzo-energía-momento$\Theta_{ab}$. Cualquier cosa con estrés-energía-momentum genera gravedad y siente la gravedad.

La relatividad general, que es una teoría métrica, describe la gravitación como la curvatura del espacio-tiempo a través de las ecuaciones de Hilbert Einstein.$G_{ab} = 8 \pi G T_{ab}$, dónde$T_{ab}$es el esfuerzo-energía-momento solo para la materia y la radiación. La gravitación se puede describir en formas alternativas no geométricas. En el enfoque de campo de la gravitación (iniciado por Feynman y Weinberg, entre otros), la gravitación está relacionada con un campo gravitacional asociado a cuantos de gravedad que llamamos gravitones .

A nivel macroscópico y para las aplicaciones habituales, ambos enfoques, el geométrico y el no geométrico, dan las mismas respuestas y pueden considerarse equivalentes. Las diferencias aparecen en el nivel cuántico donde se rompe la relatividad general.

Finalmente, agregaría que aunque la gravitación se considera ampliamente como una interacción fundamental, algunos autores especulan que no es fundamental sino que se deriva de las otras interacciones. Estos enfoques de la gravedad generalmente se denominan enfoques de "gravedad emergente" y se encuentran bajo investigación activa en la actualidad.