Gravitatia cuantica

In primul rând, trebuie eliminata orice ambiguitate: teoria corzilor este o teorie a gravitației cuantice, deoarece reuneste gravitația cu celelalte forțe deja reglementate in cadrul fizicii cuantice.

Dar există alte teorii ce vizeaza cuantificarea gravitatiei și, în mod special, teoria gravitației cuantice cu bucle (LQG, Loop Quantum Gravity), alternativă la (și concurenta a) teoria(teoriei) corzilor, care propune mai direct cuantificarea relativității generale, care este teoria gravitatiei. Celelalte  interacțiuni (forte) fundamentale, fără a fi în afara domeniului de aplicare al LQG, nu sunt obiectul său principal.

Gravitația cuantica este o ramură a fizicii teoretice care încearcă să unifice mecanica cuantică, care descrie trei (forța nucleara tare, forța nucleara slabă, forta electromagnetica) din cele patru interactiuni cunoscute cu relativitatea generală, care descrie cea de-a patra interactiune fundamentala, gravitatia (forta gravitationala).

Scopul final este acela de a dezvolta o teorie a gravitației cuantice care ar unifica toate interacțiunile fundamentale într-un cadru matematic unic. Un astfel de model ar descrie toate interacțiunile observabile cunoscute în Univers, atat la scara subatomica, cat si la scara cosmologică.

Atunci când o teorie a gravitației cuantice va realiza o mare unificare a tuturor interacțiunilor cunoscute, aceasta va fi menționată ca o teorie a totului (Theory of Everything, TOE) și, în cazul în care realizează un model de camp care include totul, o teorie unificata a câmpului (Unified Field Theory, UFT).

Cele mai multe dintre dificultățile întâmpinate în tentativa de unificare provin de la ipotezele radical diferite ale acestor teorii cu privire la funcționarea Universului.

O altă dificultate provine din succesul mecanicii cuantice și a teoriei relativității generale. Ambele teorii au fost incununate de succes și nici un fenomen nu le contrazice. Energiile și condițiile in care gravitația cuantică ar putea fi verificata sunt inaccesibile tehnologiei actuale. De asemenea, nici o observație experimentală nu este disponibila pentru a oferi indicii cu privire la modul de a le combina.

Mecanica cuantică se bazează pe particulele de mediere a diferitelor forțe utilizate în spațiu-timpul plat al mecanicii newtoniene sau al relativitatii restranse, în timp ce teoria relativității generale modeleaza gravitatia ca o curbura a spațiu-timpului a cărei rază se schimbă atunci când se materia se deplasează (conform teoriei relativității generale, energia curbează continuumul spațiu-timp).

Modul cel mai banal de a combina aceste două teorii (cum ar fi tratarea gravitației ca un câmp ce poseda  o particulă de mediere: gravitonul) se confruntă cu problema renormarii. Intr-adevăr, gravitatia este sensibila la masa, deci în conformitate cu principiul echivalenței masei și energiei din teoria relativității restrânse este, de asemenea, sensibila la energie. Un graviton trebuie deci să interacționeze cu el insusi ceea ce creeaza noi gravitoni, care, la rândul lor, interacționează din nou … Prin urmare, apar valori infinite ale energiei care nu pot fi eliminate.

Abordarea generală folosită pentru a obține o teorie a gravitației cuantice este de a se presupune că teoria subiacenta (care se afla la baza ei) este simpla si eleganta, apoi sa se examineze simetriile și indicii pentru a le combina într-o teorie cuprinzătoare. O problemă a acestei abordari este faptul că nu se știe dacă gravitatia cuantică este o teorie simpla si eleganta.

O astfel de teorie este necesara pentru a se înțelege problemele ce implica mase mari de materie sau de energie și dimesiuni ale spațiului foarte mici, precum gaurile negre sau originea Universului.

Găsirea unei teorii cuantice a gravitației este una dintre cele mai dificile dintre problemele cu care fizicienii teoreticieni s-au confruntat în ultimele decenii. Datorită interpretării geometrice a gravitației, nu este vorba doar de incompatibilitatea dintre două modele ale unei interacțiuni, ci si de cea dintre două cadre conceptuale ale fizicii și a necesitatii de a cauta o “geometrie cuantica“.

Astfel, unul dintre cele mai importante concepte din fizica cuantică este cel de “unitaritate“, conform caruia suma probabilităților unui eveniment trebuie să se conserve în timp, fiind întotdeauna egala cu 1. Dar, relativitatea generală, explică, de asemenea, faptul că notiunea de timp nu poate fi absoluta și că ceea pentru un observator reprezinta timpul, pentru un altul poate fi un amestec subtil intre spatiu si timp, ceea ce complică foarte mult construcția unei teorii unitare care sa fie în concordanță cu “principiile de bază” ale relativității.

[In fizica cuantică, unitaritatea desemneaza faptul că evoluția funcției de undă de-a lungul timpului trebuie să fie compatibila cu interpretarea probabilistă care ii este asociata; unitaritatea este o restricție privind evolutia permisa sistemelor cuantice care asigură ca suma probabilităților tuturor rezultatelor posibile ale oricărui eveniment sa fie întotdeauna 1.]

De altfel, un alt element-cheie al fizicii cuantice este noțiunea “nedeterminarii” (Heisenberg) rezultatului unei măsurări, care este în opoziție cu determinismul relativității generale. Totodata, trebuie subliniat faptul că aceste probleme apar numai atunci când se încearcă să se cuantifice insusi câmpul gravitațional și nu dacă se încearcă să se descrie evoluția unui câmp cuantic într-un spațiu-timp curb stabilit. Aceste două teorii nu sunt în totalitate în dezacord, dificultatile fiind într-adevăr legate de modul în care este modelata structura spațiu-timpului.

[Principiul incertitudinii (nedeterminarii) al lui Heisenberg (enuntat in 1927) afirma ca pozitia si viteza unui obiect nu pot fi masurate simultan cu precizie si ca notiunile de pozitie exacta si de viteza exacta nu au aplicatii in natura (nu pot fi determinate cu precizie, simultan). Se aplica numai la un numar mic de atomi si la particule subatomice (nu este important pentru obiectele macrocosmice, ca, de exemplu, vehiculele aflate in miscare). Deplasarea este rezultatul naturii de unda a particulei. Acest principiu se aplica si altor perechi de variabile, precum energia si timpul.]

Un spatiu discret

Cu toate acestea, dacă se aplică în mod naiv principiile cuantice la noțiunea de spațiu-timp dinamic, reiese ca la scari mici la care nu se pot neglija fluctuațiile cuantice, “textura spațiu-timpului”, care este mai degraba neteda si linistita la scările mari luate în considerare în relativitatea generală, trebuie să fie un fel de turbulenta neîncetata.

Ilustrarea modului în care, conform ideilor geometriei cuantice, spațiu-timpul trebuie să fie “văzut” la scări diferite. La scările cele mai mari, acesta este neted (si, eventual, curb), ca în relativitatea generală. Incepand de la scara lungimii lui Planck (aproximativ 10-33 cm), este de așteptat ca fluctuațiile sa fie foarte importante si absolut deloc de neglijat. Astfel, spațiul ni se pare continuu, dar la scari incredibil de mici, acesta se dezvaluie a fi o spumă cuantică pe care teoria gravitatiei cuantice își propune să o descrie geometric.

Spuma cuantică (spuma spatiu-timpului) este un concept al mecanicii cuantice inventat de John Wheeler în 1955 (quantum foam, spacetime foam). Aceasta spumă este un mod de conceptualizare a naturii structurii infime a texturii Universului.

Teoria gravitației cuantice cu bucle (LQG, Loop Quantum Gravity) este interesata de geometria spațiului la scara lui Planck (10 -35 m sau 10 -33 cm), și utilizează, pentru aceasta, instrumente matematice complexe (variabilele “buclei”). Practic, aceasta teorie sugerează că spațiul însusi este cuantificat, adică există “cuanta spațiului”. Astfel, spatiul este discret și nu continuu: ca si ecranul computerului, dacă este privit de aproape, este compus din subdiviziuni indivizibile (pixelii monitorului, cuantele spațiului pentru Universul nostru ).

La scara lui Planck, spațiul nostru nu este neted, ci oarecum “spumos”: fluctuațiile cuantice predomina, și odata cu ele fluctuațiile gravitatiei, deci ale geometriei spațiu-timpului (de amintit Einstein). Prin urmare,  teoria gravitației cuantice cu bucle este o teorie geometrică a unui astfel de spațiu spumos.

Totodata, ca si la teoria corzilor, nici o observatie experimentală nu a putut confirma sau infirma LQG sau vreunul dintre aspectele sale. Astfel, dispunem de două abordări diferite (una necesită dimensiuni suplimentare și propune considerarea materiei în mod diferit (corzi), cealalta geometrizeaza spatiul la scara lui Planck), dar care ar putea, după cum credea Lee Smolin, unul dintre părinții LQG, sa fie două aproximări ale uneia si aceleiasi teorii ultime care rămâne să fie descoperite.

O problemă teoretică referitoare la marime, ilustrata în imaginea anterioară, este faptul că pot apărea “gauri” în cursul fluctuațiilor spațiu-timpului, ceea ce este tradus în limbaj matematic ca “modificări de topologie”. Aceste modificări de topologie sunt, de altfel,  la scări mici, din punct de vedere tehnic, legate de una dintre dificultățile întampinate in cuantificarea gravitației, si care provine din comportamentul ei vizavi de o procedură matematică utilizata de obicei în cercetarea formularii cuantice a interacțiunii: “renormarea“.

In teoria cuantica a câmpului (Quantum Field Theory, QFT), în mecanica statistică a câmpului, în teoria structurilor geometrice auto-similare, o renormare se referă la un set de tehnici folosite in tratarea infiniturilor ce apar in calcule (marimi cu valori infinite) sau, altfel spus, pentru a limita un continuum.

Atunci când se descrie spațiul și timpul ca un continuum, unele constructe statistice si cuantice devin nedefinite. Pentru a le defini, limitarea continuumului trebuie facuta cu prudenta.

Renormarea stabilește o relație între parametrii teoriei, atunci când parametrii la scara mare difera de valoarea parametrilor la scara mica. Renormarea a fost mai intai dezvoltata în electrodinamica cuantica (QED), în scopul de a interpreta integralele divergente ( a da sens integralelor infinite) in teoria perturbațiilor. La început, ea a fost considerata drept o procedura suspecta si provizorie de către unii dintre autorii săi. In final, renormarea a fost incorporata ca un instrument important și logic coerent în multe domenii ale fizicii și matematicii.

Intr-adevar, se poate demonstra că această procedură, care, in mare, consta in a permite efectuarea de calcule la o scară data, chiar dacă acestea nu se pot face cu o singură formulă valabila la toate scarile, implica în cazul gravitației apariția unor termeni infiniti, din ce in ce mai numerosi atunci cand se avanseaza in efectuarea calculelor. In cazul electromagnetismului sau interacțiunii electroslabe, apar anumiți termeni infiniti, dar acestia pot fi “suprimati” cu ajutorul termenilor ce provin din alte scari. In cazul gravitației, apelarea la alte scari nu face decat sa inrautateasca lucrurile!

Totodata, în linia lucrarilor fizicianului indian Abhay Ashtekar, s-a dezvoltat în ultimii ani o nouă abordare a cuantificarii gravitației care pare foarte promitatoare. Teoria “gravitatiei cuantice cu bucle” (unul dintre protagoniști sai cei mai cunoscuti fiind Carlo Rovelli), presupune, în acord cu primele principii ale fizicii cuantice, ca daca spatiu-timpul este un obiect dinamic “standard”, acesta trebuie fie, de asemenea, “cuantificat”, și sa se prezinte o scară fundamentală. Aceasta ipoteza implica existența unui soi de “cărămizi incasabile” ale spațiu-timpului din care ar fi formata textura globala și care face ca unii termeni infiniti sa fie in mod natural eliminati din calcule. De altfel, din această ipoteză rezultă că principiul constanței vitezei luminii în vid ar trebui să fie încălcat la scări mici.

Intr-adevăr, aceste cărămizi implica neomogenitati locale ale spațiu-timpului, neomogenitati pe care lumina ar trebui să le strabată pe trasee intergalactice foarte lungi. Astfel, una dintre metodele chiar de pe acum utilizate în încercarea de a evidenția aceste efecte, și / sau să constrangă/forteze teoriile care le prezic, consta in a căuta aparente încălcări ale constanței vitezei luminii emise în timpul “exploziilor de raze gamma” (explozii foarte intense și scurte de raze gamma care sunt considerate a fi legate de acretia (acumularea de materie din spațiul cosmic) de materie pe găuri negre supermasive)), principiu care este ilustrat în figura de mai jos.

Două lumini de culori diferite vor interacționa în mod diferit cu structura cuantica a spațiu-timpului, implicand o dispersie a undelor. Acest efect, inevitabil daca spațiu-timpul este cuantificat, nu a fost observat intotdeauna, totusi, incepand din momentul în care se considera spatiu-timpul ca un obiect  cuantic dinamic, exista poate un alt domeniu de explorat. In același mod în care teoria relativității generale a condus în mod firesc la cosmologia relativistă, o descriere cuantică a spațiu-timpului poate într-adevăr, a priori, sa implice apariția unei “cosmologii cuantice“.

 

Ilustrarea mecanismului prin care structura cuantica a spațiu-timpului la scări mici ar putea conduce la o variabilitate a vitezei luminii. Pentru aceasta din urmă, efectul ar fi similar cu o interacțiune cu un “cristal planckian“, celor două culori (lungimi de undă) diferite, neluandu-le acelasi timp pentru a traversa acest cristal.

© CCC

Continuare… Cosmologia cuantica

Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului

Share |

Leave a Reply

Copy Protected by Chetan's WP-CopyProtect.