¿Existen ondas gravitacionales a nivel cuántico?

La relatividad general predice las ondas de gravedad. Si las partículas subatómicas ofrecen el menú completo de efectos gravitatorios, deberían estar de acuerdo con el principio de equivalencia, un importante corolario de la gravedad. En las propias palabras de Einstein:

...la ley de la igualdad de la masa inercial y gravitatoria es equivalente a la afirmación de que la aceleración impartida a un cuerpo por un campo gravitatorio es independiente de la naturaleza del cuerpo. Para la ecuación de movimiento de Newton en un campo gravitatorio, escrita en su totalidad, es:

(Masa inercial)⋄(Aceleración) = (Intensidad del campo gravitacional)⋄(Masa gravitatoria).

Solo cuando hay igualdad numérica entre la masa inercial y la gravitatoria, la aceleración es independiente de la naturaleza del cuerpo.

_{(del artículo de Wikipedia sobre el principio de equivalencia )}

Se han realizado experimentos que parecen confirmar que los campos gravitatorios afectan a las partículas subatómicas. Pero una teoría de la gravedad cuántica no estará de acuerdo con la relatividad general a menos que el principio de equivalencia también sea válido a nivel cuántico.

Un artículo escrito por Mario Rabinowitz, investigador jubilado de SLAC, cuestiona el principio de equivalencia a nivel cuántico. El documento argumenta que "la mecánica cuántica... viola directamente el principio de equivalencia fuerte a menos que sea cómplice arbitrariamente en retrospectiva. Se demuestra que existen dominios vitales en los que la gravedad cuántica no sería aplicable". El documento concluye que: "La ramificación inevitable del principio de equivalencia fuerte es que la gravedad se debe exclusivamente a la geometría de la curvatura del espacio-tiempo, pero este no parece ser el caso a nivel cuántico". ( https://arxiv.org/abs/physics/0608193 )

El artículo de Rabinowitz se refiere a los experimentos de interferencia de neutrones, tanto en caída libre como en un campo gravitacional, que dice que no respaldan el principio de equivalencia. Véase la sección 6 del documento.

Aunque el principio de equivalencia puede no ser válido a nivel cuántico, la gravitación afecta a las partículas subatómicas. Un experimento que usó neutrones ultra fríos encontró que la fase de la función de onda de neutrones se ve afectada por la gravedad ( Greenberger, DM; Overhauser, AW The role of gravity in quantum theory; Scientific American, vol. 242, mayo de 1980, p. 66- 76 ). Otro experimento hizo rebotar neutrones ultra fríos en una superficie dura y descubrió que eran "sensibles a las fuerzas similares a la gravedad" ( https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2009.05.131 ). Desafortunadamente, este periódico está detrás de un muro de pago.

Aquí hay un enlace a un artículo que analiza el segundo experimento y encuentra evidencia de un efecto cuántico causado por la gravedad: https://faculty.csbsju.edu/frioux/neutron/neutron.htm . El documento incluye una descripción con diagramas del experimento. Aunque no se menciona el principio de equivalencia, el autor cita el experimento como "evidencia directa de estados gravitacionales cuantificados".

Las partículas subatómicas se ven afectadas por la gravedad, pero ¿gravitan ellas mismas y son capaces de crear ondas de gravedad? Hasta donde yo sé, en la actualidad no hay evidencia concluyente de esto.

Las teorías de cuerdas cuantifican la gravedad y apuntan a un modelo de teoría unificada con las otras tres interacciones que están bien descritas por el modelo estándar para partículas elementales.

En física, la teoría de cuerdas es un marco teórico en el que las partículas puntuales de la física de partículas se reemplazan por objetos unidimensionales llamados cuerdas. La teoría de cuerdas describe cómo estas cuerdas se propagan a través del espacio e interactúan entre sí. En escalas de distancia mayores que la escala de la cuerda, una cuerda parece una partícula ordinaria, con su masa, carga y otras propiedades determinadas por el estado vibratorio de la cuerda. En la teoría de cuerdas, uno de los estados vibratorios de la cuerda corresponde al gravitón, una partícula mecánica cuántica que transporta la fuerza gravitacional. Así, la teoría de cuerdas es una teoría de la gravedad cuántica.

Todavía no existe un modelo de cuerdas de este tipo, que debería contener el modelo estándar y las extensiones que explicarían las discrepancias (como la violación de CP y la asimetría bariónica antibariónica) debido a la gran cantidad de modelos posibles.

Uno de los desafíos de la teoría de cuerdas es que la teoría completa aún no tiene una definición satisfactoria en todas las circunstancias. Otro problema es que se cree que la teoría describe un enorme paisaje de universos posibles, y esto ha complicado los esfuerzos para desarrollar teorías de física de partículas basadas en la teoría de cuerdas.

Sin embargo, el gravitón existirá en cualquier modelo de cuerda y estará representado en la teoría de campo equivalente. Por lo tanto, de manera similar a la forma en que las ondas electromagnéticas clásicas emergen de una confluencia de fotones y, en general, los campos clásicos de los operadores mecánicos cuánticos, uno esperaría que las ondas gravitacionales emergieran naturalmente de una confluencia de gravitones.

Hay un fuerte esfuerzo de investigación en curso en este campo.

Para complementar la descripción de Ernie de la evidencia experimental (y parte de la evidencia teórica) de que la gravedad debe ser en última instancia de naturaleza "cuántica", existen argumentos teóricos adicionales de que las ondas de gravedad (que, como dijo Ernie, son claramente predichas por la relatividad general, aunque hemos 'todavía no los he observado) debe corresponder a algunos cuantos microscópicos (de manera análoga a cómo las ondas electromagnéticas corresponden a los fotones).

Uno podría suponer que la resolución última de la tensión entre la relatividad general y la mecánica cuántica es que la gravedad es, en última instancia, clásica. Esto generalmente se conoce como gravedad semiclásica., pero la gravedad semiclásica tiene al menos un problema lógico severo (que se menciona en el artículo de wikipedia) que es que las superposiciones de grandes masas generarían potenciales gravitacionales como si estuvieran manchados de acuerdo con la función de onda de la masa, pero la medición causaría un no -colapso local y hacer que la materia "desaparezca" de uno de los dos puntos, lo que, aunque no es un gran problema desde el punto de vista de la mecánica cuántica, haría que el tensor de tensión-energía que genera la gravedad clásica violara la conservación local de la energía-momento, que es más más que una característica agradable de GR, sino más bien necesaria para la invariancia completa del difeomorfismo de GR. Entonces, si tratas de lidiar con la materia con un tensor de tensión-energía que viola la conservación local de la energía-momento, obtienes un sistema que La física de s depende del sistema de coordenadas en el que lo escriba, que es una de las suposiciones fundamentales que se incluyen en GR. (Aunque estrictamente hablando, hay una forma de evitar todo el problema que supone que la interpretación de muchos mundos de QM es verdadera y que simplemente no hay un colapso de la función de onda física. Esto significaría que los universos paralelos experimentan la gravedad de cada uno, lo que al menos sería un predicción comprobable, aunque esto está lejos de ser el único problema de consistencia lógica con la gravedad semiclásica). Otro problema es que el formalismo semiclásico requiere una superficie de Cauchy de condiciones iniciales o, en otras palabras, una división temporal del espacio-tiempo en cuestión, que es algo equivalente a construir una variable de tiempo global y algo antinatural en GR (y propensa a problemas lógicos).

La forma más "cuántica" de resolver el problema, por supuesto, es decir que la propia geometría del espacio-tiempo desarrolla una superposición correspondiente a las dos posibles ubicaciones de la masa. Esto significa que la métrica debe ser descrita por algún tipo de operador cuántico y las ondas cuánticas esencialmente deben tener cuantos microscópicos asociados con ellas (lo digo esencialmente porque hay cosas como teorías de campos conformes que no tienen partículas correctamente, pero no son descripciones directas de ninguna física fundamental, en su mayoría sistemas cuánticos normales en puntos críticos como transiciones de fase). Además, hay alguna razón para creer que el gravitón en sí mismo no puede ser una partícula compuesta, lo que descartaría una descripción más indirecta o emergente de la gravedad.