Gravidade quântica

A gravidade quântica é um ramo da física teórica que tenta unificar a mecânica quântica e a relatividade geral .

Tal teoria tornaria possível, em particular, compreender fenômenos que envolvem grandes quantidades de matéria ou energia em pequenas dimensões espaciais, como buracos negros ou a origem do Universo .

A abordagem geral usada para derivar uma teoria da gravidade quântica é, assumindo que a teoria subjacente deve ser simples e elegante, examinar as simetrias e os índices para combinar a mecânica quântica e a relatividade geral em uma teoria global unificada.

Problemático

A maioria das dificuldades dessa unificação vêm das suposições radicalmente diferentes dessas teorias sobre a estrutura e função do universo:

A mecânica quântica de fato postula que as partículas mediadoras ( quanta ) correspondem a cada uma das forças usadas no chamado espaço-tempo "plano" (isto é euclidiano ou pseudo-euclidiano ) da mecânica newtoniana ou da relatividade especial , enquanto a teoria da relatividade geral modela a gravidade como uma curvatura de um espaço-tempo pseudo- Riemanniano cujo raio é proporcional à densidade de energia (massa ou outra). No próprio modo de apresentar a estrutura do espaço-tempo , a relatividade geral tem outros postulados ou conclusões não compartilhados pela mecânica quântica. Por exemplo, na relatividade geral, a gravidade faz com que o tempo se dilate , enquanto a mecânica quântica é baseada no tempo uniforme. Além disso, a relatividade prevê que o autovolume também é afetado pela gravidade, enquanto a mecânica quântica não reconhece um efeito gravitacional no volume.

Uma dificuldade adicional vem do sucesso da mecânica quântica e da teoria da relatividade geral  : ambas são bem-sucedidas, suas hipóteses são verificadas (descoberta do bóson de Higgs em 2012 para a mecânica quântica e seu modelo padrão , ondas gravitacionais em 2015 para a relatividade geral ) e nenhum fenômeno os contradiz. Portanto, consideramos que essas duas teorias devem ser duas aproximações da mesma teoria unificada, assim como a mecânica newtoniana é uma boa aproximação da mecânica relativística.

No entanto, as energias e condições sob as quais a gravidade quântica pode ser verificada são as da escala de Planck e, portanto, são inacessíveis à nossa tecnologia. Também não há observações experimentais disponíveis para dar pistas sobre como combiná-los.

No entanto, as formas mais triviais de combinar essas duas teorias (como tratar a gravidade como um campo que possui uma partícula mediadora: o gráviton ) esbarram no problema da renormalização . Na verdade, a gravidade é sensível à massa, portanto, de acordo com o princípio da equivalência de massa e energia na relatividade especial , ela também é sensível à energia. Um gráviton deve, portanto, interagir consigo mesmo, o que cria novos grávitons que, por sua vez, interagem novamente. Assim, aparecem valores de energia infinitos que não podem ser eliminados.

Abordagens de candidatos

Uma série de propostas foram apresentadas para resolver o problema:

• A primeira tentativa de curar a não renormalizabilidade da gravidade foi adicionar o ingrediente da supersimetria para relacionar o comportamento do gráviton com o de outras partículas de spin menor e, assim, amenizar as divergências da teoria. O resultado é chamado de teoria da supergravidade . Apesar do melhor comportamento em altas energias, uma análise dimensional simples da constante de acoplamento da teoria (ou seja, a constante de Newton ) sugere fortemente que as divergências permanecem e, portanto, que essas teorias devem ser substituídas por uma teoria. Mais completa quando se aproxima da escala de Planck . A questão do surgimento de divergências ultravioleta no tratamento perturbativo da teoria ainda é uma questão em aberto em 2019. Na verdade, cálculos explícitos recentes, realizados com técnicas contemporâneas, contornando o uso tedioso dos diagramas de Feynman para cálculos perturbativos de alta ordem, revelou a existência de propriedades anteriormente invisíveis em uma formulação Lagrangiana da teoria. Na verdade, sob o efeito de cancelamentos inesperados, as divergências são empurradas de volta para ordens superiores, um pouco fora de nosso escopo computacional atual.

• A teoria M frequentemente chamada de teoria das cordas por razões históricas, ou, mais precisamente, a teoria das supercordas é uma tentativa não apenas de descrição quântica da gravidade, mas também de outras interações fundamentais presentes no modelo padrão da física de partículas . Os diferentes modelos da teoria das cordas são perfeitamente definidos do ponto de vista quântico e admira notavelmente as teorias da supergravidade como teorias de baixa energia eficazes . Nesse sentido, as teorias das cordas fornecem uma descrição microscópica, falamos também de completamento ultravioleta , às teorias da supergravidade. É o ramo mais ativo da área em termos de número de pesquisadores e publicações.

• A gravidade quântica de loop introduzida por Lee Smolin e Carlo Rovelli com base no formalismo Ashtekar tenta apresentar uma formulação quântica explicitamente independente da gravidade da possível métrica de fundo (ao contrário da descrição atual das cordas teóricas, mesmo que também inclua a simetria de reparametrização como um subconjunto de suas simetrias ), que é um esforço natural de acordo com o espírito da relatividade geral . Ao contrário da teoria das cordas, a gravidade quântica em loop não se propõe a descrever as outras interações fundamentais também. Portanto, não quer ser uma teoria de forma alguma .

• A geometria não comutativa foi proposta por Alain Connes particular, para reconstruir o modelo padrão por redução dimensional da relatividade geral em uma variedade não comutativa no espírito da teoria de Kaluza-Klein buscando replicar o eletromagnetismo por redução de tamanho da relatividade geral em um círculo. No entanto, sua análise é baseada em uma descrição clássica do modelo padrão e a quantificação do seu modelo ainda não foi desenvolvida: portanto, ainda não é, estritamente falando, uma descrição quântica da gravidade.

• Com noções em comum com este último, o dilaton faz sua primeira aparição na teoria de Kaluza-Klein . Em 2007, ele aparece no problema de vários corpos de dimensão reduzida com base na teoria de campo de Roman Jackiw . A motivação veio de querer obter as soluções analíticas completas para a métrica do problema covariante de N corpos, um objetivo difícil e quase ilusório na relatividade geral . Para simplificar o problema, o número de dimensões foi reduzido para (1 + 1) , ou seja, uma dimensão espacial e uma dimensão de tempo. O modelo obtido é denominado R = T (com respeito a G = T da relatividade geral). Não apenas soluções exatas podem ser obtidas em termos de uma generalização da função W de Lambert , o dilaton é governado pela equação de Schrödinger e, portanto, a quantização se aplica. Obtemos assim uma teoria que combina (e junta de forma natural) a gravidade (de origem geométrica), o eletromagnetismo e a mecânica quântica. Anteriormente, a generalização desta teoria para dimensões superiores não era clara. Por outro lado, uma derivação recente em dimensões (3 + 1) , para uma escolha particular de condições de coordenadas, fornece um resultado semelhante, ou seja, o campo de dilaton é governado por uma equação de Schrödinger com logarítmico de não linearidade que aparece na física de matéria condensada e superfluidos . Além disso, esses resultados são interessantes, dada a semelhança entre o dilaton e o bóson de Higgs . No entanto, apenas a experimentação será capaz de resolver a relação entre essas duas partículas. Alguns cientistas que estudaram a dimensão "4 + 1" mostraram que ela pode ser levada em consideração .

• A teoria dos twistores de Roger Penrose proposta na década de 1970 introduziu um novo formalismo para o estudo das soluções das equações da relatividade geral e, como tal, poderia fornecer um melhor ponto de partida para quantificá-lo. Mas os esforços nessa direção não tiveram sucesso e o projeto de quantificação por esta via está hoje abandonado. Por outro lado, o formalismo twistor permanece útil no contexto da relatividade e até encontrou um interesse renovado em 2007 como parte do estudo da teoria de Yang-Mills via teoria das cordas (trabalho de Witten sobre este último ponto).

Testes experimentais

Os efeitos da gravidade quântica são extremamente difíceis de testar. É por essa razão que a possibilidade de testar experimentalmente a gravidade quântica não recebeu muita atenção até o final dos anos 1990. No entanto, durante os anos 2000, os físicos perceberam que estabelecer evidências para os efeitos da gravidade quântica poderia guiá-los no desenvolvimento da teoria. Desde então, a área tem recebido cada vez mais atenção.

Objeto quântico em um campo gravitacional não quântico

Embora não haja uma descrição quântica da gravidade (e, portanto, de sua origem), é possível determinar o comportamento de um objeto quântico na presença da gravidade "clássica". Prever o movimento de uma partícula em um campo gravitacional (usamos a expressão newtoniana para gravidade, que é suficientemente precisa nesta escala) é até um exercício clássico para os alunos. Os níveis de energia potencial da gravidade são bem quantificados, embora a gravidade não seja.

O experimento foi realizado por Valery Nesvizhevsky no Instituto Laue-Langevin em Grenoble1, mostrando que os nêutrons estão de fato nas trajetórias previstas pela mecânica quântica.

Detecção de gravidade quântica

As teorias mais ativamente desenvolvidas são também a invariância de Lorentz , os efeitos das impressões da gravidade quântica no fundo difuso cósmico (em particular sua polarização) e a decoerência induzida por flutuações na espuma quântica .

As detecções feitas inicialmente durante o experimento de Imagens de Fundo da Polarização Extragalática Cósmica foram interpretadas pela primeira vez como sendo primordiais (modos B | polarização modo B) causadas por ondas gravitacionais no início do universo. Se são realmente primordiais, essas ondas nascem como uma flutuação quântica dentro da própria gravidade. O cosmólogo Ken Olum da Tufts University escreveu: “Acredito que esta seja a única evidência observável que temos que nos mostra a gravidade quantificada. Esta é provavelmente a única prova que teremos. "

Teóricos da gravidade quântica

• Nima Arkani-Hamed
• Abhay Ashtekar
• Albert Einstein
• Stephen Hawking
• Juan Maldacena
• Joseph Polchinski
• Alexandre Poliakov
• Carlo Rovelli
• Lee Smolin
• Leonard susskind
• Thomas Thiemann
• Cumrun Vafa
• Edward witten

Apêndices

Artigos relacionados

• Física Teórica
• Graviton
• Dilaton
• Correspondência AdS / CFT

links externos

• (fr) Constantin Bachas , String Theory and Quantum Gravity , 8 páginas [PDF] , publicado em Image de la Physique ( CNRS Scientific Review para o público em geral ) em 2010
• (pt) Uma apresentação da gravidade quântica (o link não existe mais.)
• (pt) Carlo Rovelli, Quantum gravity , 347 páginas [PDF]
• (pt) Carlo Rovelli, Notas para uma breve história da gravidade quântica ,Junho de 2000[PDF] (uma história do desenvolvimento da teoria)

Notas e referências

1. John A. Macken, o universo é somente Spacetime p. 4-7.
2. (em) Bern , Carrasco , Chen , Edison , Johansson , Parra-Martinez , Roiban e Zeng , "  Ultraviolet Properties of N = 8 Supergravity at Five Loops  " , Phys. Rev. D , n o  98,2018( DOI  10.1103 / PhysRevD.98.086021 , arXiv  1804.09311v1 )
3. PS Farrugia, RB Mann e TC Scott (2007). "Gravidade de N-corpos e a Equação de Schrödinger", Classe. Quantum Grav. 24  : 4647-4659, [1]  ; Artigo Arxiv [2] .
4. (em) TC Scott , Xiangdong Zhang , Robert Mann e GJ Fee , "  Redução canônica para gravidade dilatônica em 3 + 1 dimensões  " , Physical Review D , vol.  93, n o  8,2016, p.  084017 ( DOI  10.1103 / PhysRevD.93.084017 , arXiv  1605.03431 )
5. (en) B. Bellazzini , C. Csaki , J. Hubisz , J. Serra e J. Terning , "  A Higgs-like dilaton  " , Eur. Phys. JC , vol.  73, n o  22013, p.  2333
6. (in) The Universe Speaks in Numbers - Desenterrando a joia quântica , Graham Farmelo, 2019
7. (em) Sabine Hossenfelder e VR Frignanni (edição), Classical and Quantum Gravity: Theory, Analysis and Applications , Hauppauge (NY), Nova Science Publishers ,2011, 656  p. ( ISBN  978-1-61122-957-8 , leitura online ) , cap.  5 (“Pesquisa Experimental de Gravidade Quântica”).
8. Sabine Hossenfelder e VR Frignanni ( eds. ), “  Experimental Search for Quantum Gravity  ”, Classical and Quantum Gravity: Theory, Analysis and Applications , Nova Publishers, vol.  5, n o  2.01117 de outubro de 2010( Bibcode  2010arXiv1010.3420H , arXiv  1010.3420 )
9. [PDF] Física fundamental com nêutrons ultra frios
10. Cécile Michaut, "  Quantified jumps of neutrons  ", La Recherche , n o  353,Maio de 2002, p.  16 ( ler online )
11. Camille Carlisle, "  First Direct Evidence of Inflation Big Bang  " , SkyandTelescope.com (acessado em 18 de março de 2014 )