¿Qué predicciones puede hacer una teoría cuántica de la gravedad?

Una teoría cuántica de la gravedad hace predicciones definitivas. Uno de esos ejemplos, que es el mismo para cualquier teoría de la gravedad cuántica que reproduzca GR a baja energía, es la famosa corrección al newton.$1/r$potencial:

El problema es que estas correcciones de los efectos cuánticos son tan pequeñas que es difícil probarlas. Sin embargo, como nos recordó BICEP (incluso si resulta ser incorrecto), la cosmología muy temprana es sensible a los efectos cuánticos de la gravedad y, en principio, podemos detectarlos con la tecnología actual.

Diría que todavía no hay demasiada evidencia experimental para una teoría cuántica de la gravedad, las razones por las que tal teoría es deseable son principalmente de naturaleza conceptual/teórica. Daré una lista (probablemente incompleta) de motivaciones para estudiar la gravedad cuántica.

1. Unificación de las cuatro interacciones fundamentales : El modelo estándar de la física de partículas ha unido con éxito las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles. Dado que estas fuerzas están descritas por las teorías cuánticas, tiene sentido suponer que una unificación con la gravedad requiere una versión cuantificada de esta última.
2. Los agujeros negros y sus singularidades : Los agujeros negros contienen singularidades en el espacio-tiempo, es decir, puntos cuya existencia reconoce la relatividad general, pero cuya naturaleza no está del todo clara. Se supone que una teoría cuantizada de la gravedad nos dice algo sobre lo que está sucediendo allí precisamente.
3. La naturaleza del big bang : La existencia de algo parecido a un big bang es evidente. Sin embargo, no está claro qué sucedió exactamente allí. Una descripción consistente de la gravedad en el nivel cuántico podría enseñarnos más sobre cómo entender el origen de nuestro universo.
4. Dualidad holográfica : La correspondencia AdS/CFT nos dice que existe una conexión intrínseca entre ciertas teorías cuánticas de campos sin gravedad y una teoría cuántica de la gravedad (la teoría de cuerdas, para ser precisos). Esto significa que la gravedad cuántica juega un papel incluso si no pretendemos describir los fenómenos gravitacionales en nuestro mundo real. Como tal, una comprensión profunda de la gravedad cuántica está vinculada a una mejor comprensión de las teorías cuánticas de campo "ordinarias".

La lista puede continuar, y agregaré más puntos, si es adecuado.

También añadiré algunas palabras sobre el tema. Como señala TwoBs, el problema es la debilidad comparativa de la gravedad, lo que hace que los efectos cuánticos solo sean relevantes en condiciones extremas: esencialmente agujeros negros y el Big Bang. El problema con el primero es que no podemos mirar más allá del horizonte, por lo que podría ser más fructífero tratar de abordar el problema observando el fondo cósmico de microondas (CMB).

Volviendo a sus preguntas específicas:

1. ¿ Cuáles son algunas de las predicciones que podemos esperar ver de una teoría de la gravedad cuántica?

La cuantificación de la gravedad predice fluctuaciones en el campo gravitatorio, que se magnificarán por la expansión del espacio, en particular durante el período inflacionario inmediatamente posterior al Big Bang. Ciertos modelos de inflación predicen que deberíamos ver la evidencia de la gravedad cuántica escrita literalmente en el cielo como polarización del CMB debido a ondas gravitacionales, y el experimento BICEP2 podría haberlo visto. Todavía es posible que hayan subestimado severamente el efecto del polvo en primer plano, pero no puedo juzgar qué tan probable es eso: tendremos que esperar y ver hasta que lleguen nuevos datos.

2. ¿Qué tipos de experimentos han demostrado la necesidad de una teoría cuántica de la gravedad?

Ninguno, en realidad: la necesidad de una teoría cuántica de la gravedad se deriva casi por completo de consideraciones teóricas. Si bien podemos hacer algunas cosas con un tratamiento semiclásico de la gravedad (campos cuánticos en un espacio-tiempo curvo con curvatura generada por el valor esperado de energía-momento) y usarlo para predecir perturbaciones del CMB distribuidas por Gauss, tal tratamiento es incompatible con las reglas de la mecánica cuántica.

Personalmente, también esperaría que una teoría cuántica de la gravedad cambie nuestra comprensión del vacío, iluminando la naturaleza de la energía oscura y posiblemente de la materia oscura y, en particular, mejorando la peor predicción teórica en la historia de la física .

Si es asintóticamente seguro, puede predecir correctamente la masa del bosón de Higgs . (Agradecimientos a Daniel de França por enfatizar que se trataba de una predicción de la gravedad cuántica).