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Pergunte a Ethan No. 91: A teoria das cordas é necessária para a gravidade quântica?

Parece-me que tantas coisas interessantes diferentes aconteceram na teoria das cordas que não pode estar errado. As pessoas não o entendem bem, mas não acredito que exista alguma conspiração cósmica que tenha criado algo que não tenha nada a ver com o mundo real.

Edward Whitten

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Não há dúvida de que, do ponto de vista matemático, não temos falhas em todo tipo de aparato matemático bonito e elegante. Mas nem todos eles fazem sentido no universo físico. Para toda idéia brilhante que descreve o que podemos ver e medir, há outra idéia brilhante que tenta descrever a mesma coisa, mas acaba errada. Discutindo perguntas sobre alternativas à teoria das cordas na semana passada, encontrei a seguinte declaração:
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Em primeiro lugar, há uma grande diferença entre a gravidade quântica, a solução da teoria das cordas e outras alternativas.

Vamos começar com o nosso querido universo. Existe uma teoria geral da relatividade - nossa teoria da gravidade. Ela postula que todo o sistema funciona de maneira um pouco mais astuto do que a simples "ação de longo alcance" que Newton inventou, na qual todas as massas em todos os lugares do universo emitiam forças agindo umas sobre as outras, inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.

Massa, como Einstein explicou usando o princípio de equivalência E = mc 2em 1907, existe apenas uma forma de energia. Essa energia envolve o próprio tecido do espaço-tempo, mudando o caminho ao longo do qual os corpos se movem e distorcendo o que o observador veria como uma rede cartesiana. Os objetos não são acelerados por uma força invisível, mas simplesmente viajam por um caminho curvo pelas várias formas de energia presentes no universo.

Isso é gravidade.

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Por outro lado, temos as leis quânticas da natureza. Eletromagnetismo controlado por partículas eletricamente carregadas e seu movimento. Eles são descritos pelo portador de interações, o fóton, que atua como intermediário e devido ao qual surge um fenômeno que associamos à eletricidade e ao magnetismo. Ainda existem duas forças nucleares - as fracas, responsáveis ​​pelo decaimento radioativo, e as fortes, que mantêm os núcleos dos átomos unidos e geralmente permitem a existência de prótons e nêutrons.

Os cálculos dessas forças são feitos no espaço-tempo plano - para que cada aluno comece a estudar a teoria quântica de campos. Mas na presença do espaço-tempo curvo, obedecendo à teoria geral da relatividade, tudo começa a se comportar incorretamente.

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"Bem, vamos fazer nossos cálculos quânticos no contexto de um espaço curvo!" - você sugere. Isso é chamado de gravidade semi-clássica e permite calcular coisas como a radiação Hawking. Mas, mesmo assim, esses cálculos ocorrem apenas no horizonte de eventos do buraco negro, e não onde a gravidade é ainda mais forte. Como explicou a física Sabina Hossenfelder , precisamos da teoria quântica da gravidade em vários lugares, e todos eles estão conectados à física da gravidade a distâncias microscópicas.

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Por exemplo, o que acontece no centro de um buraco negro? Uma singularidade não é tanto um ponto de densidade infinita quanto um ponto em que a matemática do GR fornece respostas sem sentido para potenciais e forças. O que acontece, por exemplo, quando um elétron passa por dois slots ao mesmo tempo?

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O campo gravitacional passa pelos dois slots? Através de um deles? Não há respostas para esta pergunta no GR.

Como se houvesse uma teoria quântica da gravidade para tais e outros problemas semelhantes associados a uma relatividade geral "suave". Para explicar o que acontece a curtas distâncias na presença de fontes de gravidade ou massa, precisamos de uma teoria quântica, discreta, isto é, da gravidade baseada em partículas.

Graças às propriedades da relatividade geral, já sabemos algo.

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As forças quânticas conhecidas são transmitidas por partículas chamadas bósons ou por partículas com um giro inteiro. Um fóton transmite uma interação eletromagnética, os bósons W e Z transmitem uma interação fraca e os glúons transmitem uma interação forte. Para todas essas partículas, o spin é igual a 1, ou seja, o spin de partículas maciças (W e Z) pode assumir os valores -1, 0 ou +1 e sem massa (glúons e fótons) - apenas -1 ou +1.

O bóson de Higgs é um bóson, embora não transfira a interação e tenha o spin 0. Nosso conhecimento da gravidade (GR é a teoria tensorial da gravidade) diz que ele deve ser transmitido por uma partícula sem massa com o spin 2, ou seja, aquele cuja rotação pode assumir valores -2 ou +2.

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Ou seja, já sabemos algo sobre a teoria quântica da gravidade, mesmo antes de formulá-la! Seja o que for, deve corresponder ao GR a grandes distâncias - assim como o GR deve degenerar na teoria da gravidade newtoniana em casos de campos fracos.

Mas como? Como a gravidade pode ser quantificada para que a teoria seja correta ao descrever o mundo ao seu redor, compatível com GR e TAG e, preferencialmente, leve a previsões calculadas de tais fenômenos que podem ser observados e medidos?

Você já ouviu falar do candidato principal - essa é a teoria das cordas.

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1) Teoria das Cordas. Este é um aparato interessante - pode incluir todos os campos e partículas conhecidos pelo Modelo Padrão, tanto férmions quanto bósons. Também inclui uma teoria da gravidade tensor-escalar de dez dimensões, onde existem 9 espaciais, uma dimensão temporal e um parâmetro de campo escalar. Removendo seis dimensões usando compactação (um processo incompleto descrito) e movendo o parâmetro ω, que descreve a integração escalar, para o infinito, obtemos GR.

Mas com o TS existem muitos problemas fenomenológicos. Por exemplo, ela prevê a presença de um monte de novas partículas, incluindo todas as supersimétricas, nenhuma das quais foi encontrada. Ela afirma que não precisa de "parâmetros livres" como o Modelo Padrão (massa de partículas), mas substitui esse problema por um ainda pior. Kent fala sobre 10.500várias soluções - e elas se referem às expectativas de vácuo dos valores do campo de string, mas não há mecanismo que permita que elas sejam estabelecidas. Se você precisa que o TS funcione, descarta a dinâmica e diz: "Bem, foi escolhido de acordo com o princípio antrópico".

Mas ST está longe de ser a única opção.

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2) Gravidade quântica em loop. O PCG, em vez de quantificar partículas, sugere considerar a opção de espaço discreto. Imagine um lençol esticado com uma bola de boliche no meio. Somente esse tecido não será liso - a folha real é realmente quantificada, é feita de moléculas e de átomos e de núcleos e elétrons.

O mesmo acontece com o espaço. Pode funcionar como um tecido, mas também pode ser feito de entidades finitas. Talvez ele tenha costurado e costurado - onde a teoria leva esse nome. Costure os loops e você obterá uma rede que representa o estado quântico do campo gravitacional. Nesse caso, não apenas importa, mas o espaço será quantizado. Como chegar a cálculos quânticos realistas a partir dessa visão é uma questão em aberto, e sua pesquisa, que fez um avanço em 2007-2008, ainda está avançando ativamente.

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3) Gravidade assintoticamente segura. Minha tentativa favorita de abordar o CTG. Liberdade assintóticafoi desenvolvido nos anos 70 para explicar a propriedade incomum de interações fortes - a distâncias curtas, a força é muito fraca e, à medida que as partículas carregadas de cor são removidas, ela se intensifica. Ao contrário do eletromagnetismo, no qual a constante de interação é pequena, na interação forte, é grande. Graças às propriedades interessantes da cromodinâmica quântica, se você construir um sistema sem cores, a força das interações diminuirá muito rapidamente.

A segurança assintótica parece resolver o principal problema associado a isso - você não precisa de constantes de interação pequenas ou tendendo a zero. Você precisa que as constantes sejam finitas. Todas as constantes de interação variam com a energia e a segurança assintótica simplesmente seleciona um valor para a constante em casos de alta energiae todo o resto depois disso pode ser calculado para energias mais baixas.

É verdade que até agora descobrimos como lidar com isso apenas no espaço bidimensional, onde 1 dimensão está no espaço e outra no tempo. Mas o processo está em andamento. Christoph Wetterich publicou dois trabalhos inovadores nos anos 90. E seis anos atrás, ele usou essa teoria para prever a massa do bóson de Higgs antes de ser descoberta pelo LHC. E o resultado coincidiu com a realidade. Essa é uma previsão tão maravilhosa que, quando a barra de erros de cálculo cai ainda mais e as massas do bóson W e do bóson de Higgs são finalizadas, nem precisamos de outras partículas elementares (como supersimétricas) para que a física se comporte de maneira estável até as escalas de Planck.

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Não é apenas promissor, possui as mesmas propriedades positivas da teoria das cordas: quantifica a gravidade, degenera para a relatividade geral a baixas energias e é finito por UV. E ela, ao contrário das cordas, não precisa de transporte de nenhum lixo adicional para o qual não há evidências.

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4) Triangulação dinâmica causal. Este é um novo produto desenvolvido em 2000 por Rinate Loll.. Assemelha-se ao PCG em termos de discrição do espaço, mas lida principalmente com a evolução do próprio espaço. Uma das propriedades interessantes dessa teoria é que o tempo também é discreto. A teoria implica espaço-tempo quadridimensional (não postulado, mas a seguir), que em altas energias se transforma em bidimensional. É baseado no conceito matemático de um simplex, que é um análogo multidimensional de um triângulo. 2-simplex é um triângulo, 3-simplex é um tetraedro e assim por diante. Curiosamente, o princípio da preservação da causalidade segue claramente dessa teoria. Ela pode ser capaz de descrever a gravidade, mas até agora não temos 100% de certeza de que o Modelo Padrão de partículas elementares possa ser inserido nele.

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5) Gravidade induzida. A teoria mais especulativa e recente que se tornou conhecida em 2009, quando Eric Verlinde propôs a teoria da gravidade da entropia - um modelo em que a gravidade não é a força principal, mas segue de um fenômeno associado à entropia. As sementes dessa teoria remontam à descoberta de condições para o surgimento da assimetria bariônica do universo, ao conceito de Andrei Sakharov, proposto por ele em 1967. A teoria é nova demais para pedir muito.

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Bem, o que temos hoje em relação à questão da gravidade quântica. Precisamos que ele faça o universo funcionar em níveis de partículas, mas não sabemos como ele se parece e se alguma das teorias descritas irá funcionar. A teoria das cordas é a mais estudada, a gravidade assintoticamente segura é a minha favorita, a gravidade quântica em loop é a segunda mais popular das cinco, e a triangulação dinâmica causal e a gravidade induzida são novas teorias que estão sendo desenvolvidas ativamente.

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