¿Por qué la gravedad no encaja en la teoría cuántica?

Antes de leer, quiero señalar que probablemente no sepa tanto como ustedes sobre teoría cuántica, aunque me encanta aprender sobre ella, por lo que preferiría explicaciones en términos relativamente simples.

Hace poco estaba leyendo un artículo sobre teoría cuántica y de cuerdas, que decía lo siguiente:

Han pasado ocho décadas desde que los físicos se dieron cuenta de que las teorías de la mecánica cuántica y la gravedad no encajan , y el rompecabezas de cómo combinar las dos sigue sin resolverse.

¿Por qué la gravedad no encaja en la mecánica cuántica? ¿Qué lo haría diferente de las otras fuerzas?

Posibles duplicados: physics.stackexchange.com/q/387/2451 y enlaces allí.
La respuesta corta es: es muy técnico y no conozco ninguna explicación simple e intuitiva.
La razón principal por la que la gravedad no encaja entre las otras fuerzas es porque no es una fuerza, ni siquiera en la imagen clásica. La gravedad provoca una aceleración y para cuerpos en caída libre ni siquiera es perceptible a primer orden debido al principio de equivalencia. Las consecuencias de eso son profundas. Por un lado, a diferencia del electromagnetismo, la gravedad no es una teoría lineal. Los efectos de las cargas no se suman simplemente como en el caso de las otras fuerzas.
¿Realmente te refieres a QM y gravedad, o QM y relatividad?
respuesta lateral, hay un problema de escala. En su escala (algunas micras hasta el universo), la gravedad muestra una complejidad que no aparece con las 3 fuerzas en sus propias escalas. La gravedad puede cuantificarse, pero es probable que algo deba evolucionar con las 3 fuerzas, incluso si la teoría es poderosa en sus escalas comunes de aplicación.
CuriousOne: ¿Estás indicando que es culpa de Einstein, porque él es quien se deshizo de la fuerza y ​​la reemplazó con la curvatura del espacio :). Cómo algo que no es una fuerza en sí mismo puede unificarse con otras fuerzas. Bueno, todavía consideraría la gravedad como una fuerza. La curvatura puede ser parte del mecanismo de cómo actúa la fuerza.
@kpv: La gravedad era una aceleración, incluso en la época de Newton. Galileo ya notó el principio de equivalencia fuerte y si miras la mecánica newtoniana, en ninguna parte estamos expresando que la masa inercial y la masa gravitatoria podrían ser diferentes. Escribimos la gravedad como una fuerza para que nuestros estudiantes no tan brillantes no se pierdan por completo, pero esa es prácticamente la única razón racional por la que lo hacemos. La fenomenología, aun de gravedad débil, no sustenta su caracterización como fuerza.
CuriousOne: Quiero decir que hay una fuerza en alguna parte. Puede ser la entidad/propiedad que curva el espacio en presencia de masa/energía. No tengo los conocimientos suficientes para comprender la acción/aceleración/curvas, etc. sin un agente. Cuando digo fuerza, me refiero a ese agente, en su forma más fundamental, donde no se le puede asignar ninguna otra causa.
Puedes pensar en la gravedad como una fuerza (mediada por el intercambio de gravitones) o como una teoría puramente geométrica, de la misma manera que puedes pensar en el electromagnetismo como una fuerza (mediada por fotones) o como una teoría geométrica. La única diferencia entre las dos teorías es que, en el caso de EM, el espacio que se "curva" es un espacio interno en lugar del espacio en el que vivimos. Esto también es cierto para muchas teorías cuánticas de campo: hay una imagen de "fuerza". y una imagen geométrica dual.

Respuestas (1)

Voy a dar una respuesta que no está completa, pero tal vez dé una idea de por qué la gravedad es diferente a las otras fuerzas. Tenga en cuenta a los expertos que sé que estoy simplificando demasiado en esta respuesta, pero el OP solicitó explícitamente una respuesta que apuntara a la simplicidad. Intentaré señalar algunas de las simplificaciones que hice al final.

El electromagnetismo es el ejemplo clásico de una fuerza bien comportada donde sabemos cómo tratarla mecánicamente cuánticamente. La gravedad, por otro lado, es famosa por su mal comportamiento.

Entonces, una forma diferente de hacer su pregunta es, ¿por qué la gravedad es tan diferente del electromagnético?

Una razón (y esta no es la historia completa de ninguna manera) es que el electromagnetismo, a diferencia de la gravedad, obedece al principio de superposición. Si tengo dos cargas puntuales, calculo el campo eléctrico de las dos cargas. Simplemente puedo sumar los campos eléctricos que cada carga produce individualmente para encontrar el campo eléctrico total de la combinación de las dos cargas puntuales.

La gravedad no es así. Si tengo dos masas puntuales (agujeros negros) y calculo el campo gravitatorio de ellos individualmente, no puedo simplemente combinar esos dos campos para producir el campo gravitatorio de las dos masas juntas. La razón básica es que porque mi = metro C 2 , no sólo gravita la masa sino también la energía. El propio campo gravitatorio transporta energía. Entonces, la masa de un agujero negro crea un campo gravitatorio, pero ese campo tiene energía, que a su vez genera más campo gravitatorio, y así sucesivamente... Cuando tienes dos masas puntuales, hay energía de interacción a medida que las masas se atraen entre sí, y esa energía de interacción en sí misma cambia el campo gravitacional. ¡Se vuelve muy complicado muy rápidamente! El hecho básico de que todas las formas de energía y momento, incluida la energía transportada por el propio campo gravitatorio, gravitan, hace que la gravedad sea intrínsecamente más complicada que el electromagnetismo.

Para volvernos un poco más técnicos, debido al principio de superposición (y algunas otras buenas propiedades como la invariancia de Poincaire) puedes pensar que el campo electromagnético está compuesto por osciladores armónicos (uno para cada modo de Fourier del campo). ¡Sabemos cómo cuantificar osciladores armónicos! Para la gravedad, este tratamiento no funciona debido a la falla del principio de superposición. Ahora, cuando los campos gravitatorios son pequeños (es decir, cuando la curvatura es pequeña, o realmente cuando estás trabajando en distancias pequeñas en comparación con la escala de curvatura característica), puedes intentar aproximar el campo gravitatorio como si estuviera hecho de osciladores armónicos. Y ese es un procedimiento consistente cuando los campos gravitatorios son débiles, esto se llama la teoría del campo efectivo de la gravedad, aunque está condenado a romperse cuando los campos gravitatorios se vuelven demasiado fuertes (lo que significa en la práctica que la curvatura es grande). Ahí es donde realmente entran en juego muchos de los problemas difíciles con la gravedad cuántica.

Ahora, como dije, definitivamente estoy simplificando demasiado, por ejemplo, los expertos pueden quejarse de que (1) he usado la frase 'campo gravitatorio', (2) que he hablado sobre la energía del campo gravitatorio, y (3) ¿qué pasa con Yang-Mills, que es un ejemplo de una teoría que no obedece al principio de superposición pero que es perturbativamente renormalizable, y posiblemente incluso (4) sabemos realmente que la teoría del campo efectivo de la gravedad funciona, por ejemplo, cerca de los horizontes de los agujeros negros (¿qué pasa con la paradoja del cortafuegos y la complementariedad)? Todas estas objeciones (y estoy seguro de que otras) son perfectamente válidas (excepto tal vez por (1) pero no quiero comenzar una pelea :)). Todo lo que diré es que esta respuesta solo pretende darle una idea intuitiva aproximada de algunas de las dificultades que están sucediendo: hay mucho, mucho más en la historia.

Terminaré diciendo que una respuesta más correcta es que la gravedad está mediada por un campo de espín 2, mientras que el electromagnetismo está mediado por un campo de espín 1. El "spin-2"-ness realmente es lo que termina haciendo que la gravedad sea tan diferente, desde la perspectiva de la física de partículas.

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