¿Por qué se busca una partícula de intercambio por gravedad?

Si entiendo correctamente, de acuerdo con la Teoría General de la Relatividad de Einstein, la masa resulta en una distorsión en el espacio-tiempo. A su vez, el movimiento de la masa se ve afectado por la distorsión. Un resultado de la interacción entre la masa y el espacio-tiempo es que la "fuerza" de la gravedad puede explicarse. Las masas no están sujetas a una fuerza, sino que simplemente siguen una geodésica de espacio-tiempo de 4 dimensiones; la gravedad es solo geometría.

Y, sin embargo, los físicos están buscando partículas de intercambio por la fuerza de la gravedad, y están tratando de unificar la mecánica cuántica con la relatividad, o unificar las fuerzas débil/fuerte/electromagnética con la de la gravedad.

  1. ¿Qué me he perdido? ¿Son estas diferentes comunidades de físicos? ¿La relatividad explica solo una parte de la historia de las masas que actúan bajo la gravedad?

  2. ¿La gravedad es una fuerza o no? ¿Es sólo una fuerza aparente o no?

  3. ¿Puede una fuerza tan aparente 'generar' partículas de intercambio? ¿Son los modelos geométrico y de partículas de intercambio puntos de vista diferentes de la misma verdad subyacente?

  4. Una pregunta secundaria podría ser: ¿por qué las otras fuerzas no pueden explicarse de manera similar? ¿O es eso lo que está pasando con toda esta charla de pequeñas dimensiones extra?

Agradecería cualquier aclaración sobre este asunto, o lectura sugerida (preferiblemente en el nivel de 'ciencia popular' o de pregrado).

Estás haciendo varias preguntas. Respondí solo la del título. ¿Tal vez puedas dividir la pregunta en varias diferentes?
Quizás sea útil para el OP saber que las teorías modernas de las otras fuerzas (electrodébil + fuerte) en realidad se basan en una especie de modelo GR-esque, donde la curvatura no está en el espacio-tiempo sino en un grado interno de libertad. Estas teorías se conocen como "teorías de calibre" y se inspiraron en GR.

Respuestas (4)

Una adición a las respuestas de Daniel Grumiller y sb1:

La principal diferencia del campo gravitatorio y otros campos es que, según la relatividad general, el campo gravitatorio define el espacio y el tiempo y, por lo tanto, define la relación de eventos. Es cierto que es posible hacer una división "arbitraria" de una cierta aproximación lineal del campo gravitatorio en un "fondo plano" y "ondas" que se propagan sobre este fondo. En principio, este tipo de razonamiento es una violación de la idea misma de que el campo gravitatorio define el fondo del espacio-tiempo de una manera holística, y fue objeto de muchas discusiones si esta aproximación es de alguna utilidad.

Se considera que esto está resuelto por la evidencia observacional de que los sistemas bistar pierden energía exactamente de la manera que predice la "aproximación de ondas gravitatorias", citada por Daniel Grumiller.

La existencia de los gravitones es una conjetura basada en la suposición de que las ondas gravitatorias presentan la misma naturaleza cuántica que las ondas clásicas, por ejemplo, las ondas en el electromagnetismo clásico. En la base de esta conjetura está la idea de que debería ser posible dividir el campo gravitacional en una parte que define el fondo, y luego tener ondas gravitatorias propagándose en este fondo y exhibiendo la misma dualidad onda-partícula que otras ondas. Entonces sería posible tratar los efectos gravitatorios cuánticos en una aproximación semiclásica.

Dado que no hay evidencia observacional para esto, esta conjetura sigue siendo objeto de controversia.

¿Son estas diferentes comunidades de físicos?

Algunos creen firmemente en la existencia de los gravitones, otros piensan que la gravedad cuántica necesita un paso conceptual más grande que solo las gravitones, y algunos hacen ambas cosas, así que sí, hay diferentes comunidades que creen cosas diferentes.

¿La relatividad explica solo una parte de la historia de las masas que actúan bajo la gravedad?

Explica todo en un entorno clásico con fuerzas no demasiado fuertes, pero no explica los efectos cuánticos o lo que sucede cuando las fuerzas se vuelven tan fuertes que se producen singularidades.

¿La gravedad es una fuerza o no? ¿Es sólo una fuerza aparente o no?

Es una fuerza, es una fuerza aparente en el sentido de que la GR clásica dice que la sientes porque vives en un marco de referencia acelerado. Ambos enunciados son válidos en el marco clásico y son independientes de la naturaleza cuántica de la gravedad y, en particular, de la existencia de gravitones.

¿Puede una fuerza tan aparente 'generar' partículas de intercambio? ¿Son los modelos geométrico y de partículas de intercambio puntos de vista diferentes de la misma verdad subyacente?

Sí, véase más arriba (modelo geométrico = configuración clásica, partícula de intercambio = aproximación semiclásica).

¿Por qué las otras fuerzas no pueden explicarse de manera similar? ¿O es eso lo que está pasando con toda esta charla de pequeñas dimensiones extra?

El campo gravitacional es fundamentalmente diferente de otros campos (ver arriba), y esto no tiene conexión con dimensiones extra.

Agradecería cualquier aclaración sobre este asunto, o lectura sugerida (preferiblemente en el nivel de 'ciencia popular' o de pregrado).

El problema es que si eres capaz de hacer esta pregunta, ya estás más allá del nivel de divulgación científica. Realmente me gustaría recomendarle una clase introductoria sobre QFT y otra sobre GR, allí obtendrá la mejor respuesta a su pregunta :-)

@Tim ¿No cuenta el púlsar Hulse-Taylor como "evidencia observacional"? En mi opinión, esta es una evidencia indirecta impresionante de la emisión de ondas gravitacionales. Pero lo sabremos con certeza dentro de los próximos 7 años...
@Daniel: Evidencia indirecta de emisión de ondas gravitacionales: sí. La existencia de ondas gravitacionales no es idéntica a la existencia de gravitones, hay un paso conceptual adicional (las ondas gravitacionales exhiben una dualidad de onda de partículas en el reino cuántico, siendo el gravitón la partícula). No es uno y el mismo concepto.
@Tim. Estoy parcialmente en desacuerdo. Una vez que permite la posibilidad de ondas gravitacionales e incluye la mecánica cuántica, sigue la existencia de gravitones (al menos en el régimen de campo débil apropiado). Tal vez podría argumentar que el campo gravitatorio sigue siendo clásico, pero eso no puede ser correcto. Sabemos por lo menos que la materia es mecánica cuántica y, por lo tanto, el lado derecho de las ecuaciones de campo, el tensor de energía de tensión, se promueve a un operador, lo que implica que el lado izquierdo también debe convertirse en mecánico cuántico. No veo ninguna forma de evitar eso.
@Columbia: en el punto Estrés-Energía, ¿no podría escribirse como < T tu v > - un promedio. Esto deja abierto qué es la Gravedad Cuántica.
@Columbia, ¿por qué no puede ser correcto? después de todo, sabemos que los campos EM son campos efectivos que se aproximan a algo más fundamental, por otro lado, los campos gravitatorios son la curvatura del espacio-tiempo, que incluso bajo la teoría de cuerdas sigue siendo una propiedad fundamental que no se deriva ni emerge.
@Roy. La pregunta es si la promoción de Tuv a <T_{uv}> por el principio de correspondencia implica que le suceda algo similar a Guv mediante la inspección de las ecuaciones de campo de Einstein. Bueno, manifiestamente sí, a menos que de alguna manera rompas el postulado de linealidad de la mecánica cuántica. Alternativamente, podrías imaginar construir una versión cuántica del tensor de Einstein a partir de campos clásicos, pero nadie ha logrado hacer eso, a pesar de los intentos de hacer que la mecánica cuántica emerja de algo clásico... Así que sigo siendo escéptico, yo creo que Guv de hecho también debe ser cuantificado.
La respuesta es muy imparcial y objetiva, y exhaustiva. Pero mi pequeño caballo de batalla fue pisoteado, así que quiero explicar que, según GR, la gravedad no es una fuerza: por definición, la fuerza es lo que hace que una partícula se desvíe de una geodésica. La gravedad no hace esto, así que no es una fuerza, es inercia. Cuando tenemos un sistema de coordenadas, parece haber "pseudo-geodésicas" en esas coordenadas, y las desviaciones de tal pseudo-geodésica son hechas por pseudo-fuerzas. Cuando la verdadera geodésica difiere de la pseudogeodésica, la gravedad es una pseudofuerza. Si se cambia GR, esta visión de la gravedad podría cambiar.
Para una discusión similar de este pequeño punto, consulte physicsforums.com/showthread.php?t=382066&page=2 y consulte también physics.stackexchange.com/q/102/6432 . Sin embargo, por pequeño que sea, tiene algo que decir acerca de si uno debe verse obligado a creer que los gravitones deben estar allí en alguna parte.

La relatividad general es una teoría puramente clásica, lo que significa que no tiene en cuenta el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Aunque es una muy buena descripción de la gravedad a gran escala, no debería ser una buena descripción para una escala muy pequeña ya que en esas escalas muy pequeñas no se pueden ignorar los efectos cuánticos. Hay al menos dos instancias, el Big Bang y el agujero negro donde GR predice singularidades matemáticas. Eso significa que en esas situaciones GR no es una buena descripción de la interacción gravitatoria. Según la mecánica cuántica, cada campo clásico tiene un análogo cuántico. El campo clásico de Maxwell, llamado campo electromagnético, tiene un análogo cuántico. Nos imaginamos la interacción electromagnética de partículas mensajeras llamadas fotones virtuales que tienen giro 1. Estos fotones virtuales son las partículas del campo electromagnético. Las perturbaciones en este campo se denominan ondas electromagnéticas, que según la teoría cuántica de campos son emisión de fotones reales. No hay contradicción aquí. Esta es una característica básica de la teoría cuántica. Lo llamamos dualidad onda-partícula. De manera similar, para la gravitación, se puede pensar que el análogo cuántico del campo clásico relevante consiste en gravitones virtuales de espín 2. Las interacciones gravitacionales están mediadas por estos gravitones virtuales. Cuando se emiten gravitones reales, lo llamamos ondas gravitacionales. Los gravitones son partículas mensajeras de la gravedad. Una vez más no hay contradicción aquí. Esta es una característica básica de la teoría cuántica. Lo llamamos dualidad onda-partícula. De manera similar, para la gravitación, se puede pensar que el análogo cuántico del campo clásico relevante consiste en gravitones virtuales de espín 2. Las interacciones gravitacionales están mediadas por estos gravitones virtuales. Cuando se emiten gravitones reales, lo llamamos ondas gravitacionales. Los gravitones son partículas mensajeras de la gravedad. Una vez más no hay contradicción aquí. Esta es una característica básica de la teoría cuántica. Lo llamamos dualidad onda-partícula. De manera similar, para la gravitación, se puede pensar que el análogo cuántico del campo clásico relevante consiste en gravitones virtuales de espín 2. Las interacciones gravitacionales están mediadas por estos gravitones virtuales. Cuando se emiten gravitones reales, lo llamamos ondas gravitacionales. Los gravitones son partículas mensajeras de la gravedad. Una vez más no hay contradicción aquí.

En primer lugar, me gustaría preguntar si alguien realmente está buscando experimentalmente un gravitón. El efecto sería demasiado débil para detectarlo con la tecnología actual. Existe el concepto estrechamente relacionado de "onda gravitacional" que es una "onda de curvatura" en la Relatividad General y que se está buscando.

Probablemente hay dos razones principales para esperar que la idea del gravitón tenga algún mérito.

  1. La onda gravitacional es una onda clásica, y todas las demás ondas clásicas (como con el electromagnetismo) han encontrado una forma de partícula en la teoría cuántica y la teoría cuántica de campos. El concepto familiar aquí es "dualidad onda-partícula". Entonces, la expectativa es que bajo una teoría de "gravedad cuántica" habría un gravitón. Este punto en sí mismo no perjudica la forma fundamental de esa teoría de la Gravedad Cuántica: aún podría ser geométrica en sus fundamentos.

  2. Las ecuaciones que describen campos y partículas cuánticas cuando se expresan en una notación llamada "forma de 2 espinores" tienen un patrón y una forma básicos. Entonces, un electrón se describe a través de las ecuaciones de Dirac como ϕ A . Esto se relaciona con el giro 1/2, que es todo correcto para el electrón. Las partículas/campos de espín 1 (p. ej., el fotón) se describen mediante ϕ A B en esta forma de las ecuaciones de Maxwell. Y así, el patrón continúa con N etiquetas A, B, ..., K que describen una partícula de espín N/2. Bueno, las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein cuando se escriben en esta forma de espinor tienen ϕ A B C D . Entonces, esto sugiere un giro 2, incluso sin linealización o cuantificación, etc.

La gran diferencia entre las ecuaciones de Einstein y estas otras de menor espín es que las ecuaciones de Einstein no son lineales (representan la curvatura del espacio-tiempo) mientras que estas otras ecuaciones son lineales (esencialmente representan un espacio subyacente lineal). Entonces, un fotón más un fotón es igual a dos fotones, pero un gravitón más un gravitón no sería exactamente igual a dos gravitones.

El escenario en el que continúa el debate es el de la Gravedad Cuántica, en el que diferentes campos adoptan diferentes puntos de vista sobre la naturaleza de cualquier espacio subyacente. Estos debates se reflejan en algunas de las otras preguntas de Stack.

La relatividad general, actualmente nuestro mejor modelo de gravedad, no solo predice la fuerza gravitacional como un efecto geométrico, también predice la existencia de gravitones, la "partícula de intercambio por gravedad".

Podría existir una teoría sin gravitones u ondas gravitatorias (las usaré indistintamente), pero como ya tenemos evidencia indirecta de ondas gravitacionales del púlsar de Hulse-Taylor , parece poco probable que los gravitones no existan en la Naturaleza.

Veremos en la próxima década, ya que LIGO avanzado está destinado a encontrar ondas gravitacionales, si es que existen.

Creo que considerar las ondas gravitatorias y los gravitones 'intercambiables' simplemente descartaría, en lugar de abordar, la pregunta: todas las demás fuerzas son campos efectivos causados ​​​​por el intercambio de partículas, pero hasta donde sabemos, el principio de equivalencia y, por lo tanto, la curvatura del espacio-tiempo es una propiedad exacta . del universo, entonces la pregunta que nos está tratando de hacer reflexionar es: con todas estas diferencias entre la gravedad y las otras fuerzas, ¿cómo vamos a explicar un efecto exacto (desviación geodésica) como un efecto efectivo causado por interacciones cuánticas?
Usar ondas gravitacionales y gravitones de manera intercambiable es lo mismo que usar ondas de luz y fotones de manera intercambiable. Realmente son lo mismo, pero enfatizan diferentes aspectos (propiedades de ondas o partículas). No hay nada de malo en ver la gravedad como un "campo efectivo causado por el intercambio de partículas", siempre que permanezca en el régimen de validez de esta teoría del campo efectivo.
¿Por qué se busca una partícula de intercambio por gravedad?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v