Kvantum gravitáció

A kvantumgravitáció az elméleti fizika olyan ága, amely megpróbálja egyesíteni a kvantummechanikát és az általános relativitáselméletet .

Egy ilyen elmélet lehetővé tenné különösen a nagy mennyiségű anyagot vagy energiát magában foglaló jelenségek megértését kis térbeli dimenziókban, például fekete lyukakat vagy az Univerzum eredetét .

A kvantumgravitáció elméletének levezetésére használt általános megközelítés az a feltételezés, hogy az alapul szolgáló elméletnek egyszerűnek és elegánsnak kell lennie, a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet egységes globális elméletté való egyesítésének szimmetriáit és mutatóit vizsgálja.

Problematikus

Ennek az egyesülésnek a legnehezebb nehézségei ezen elméletek gyökeresen eltérő feltételezéséből fakadnak az univerzum felépítésével és működésével kapcsolatban:

A kvantummechanika valóban azt feltételezi, hogy a közvetítő részecskék ( kvantumok ) megfelelnek a newtoni mechanika vagy a speciális relativitáselmélet úgynevezett "lapos" téridejében (vagyis euklideszi vagy ál-euklideszi ) használt erőknek , míg az elmélet Az általános relativitáselmélet modelljei szerint a gravitáció egy ál- Riemann- téridő görbülete, amelynek sugara arányos az energiasűrűséggel (tömeg vagy más). A tér-idő keret pozícionálásának módján az általános relativitáselméletnek vannak más posztulátumai vagy következtetései, amelyeket a kvantummechanika nem oszt meg. Például az általános relativitáselméletben a gravitáció az idő tágulását okozza , míg a kvantummechanika az egységes időn alapszik. Ezenkívül a relativitás azt jósolja, hogy a saját térfogatot is befolyásolja a gravitáció, míg a kvantummechanika nem ismer fel gravitációs hatást a térfogatra.

További nehézséget okoz mind a kvantummechanika , mind az általános relativitáselmélet  sikere: mindkettő sikeres, hipotéziseit igazolják ( a Higgs-bozon 2012-es felfedezése a kvantummechanikára és annak standard modelljére , a gravitációs hullámok 2015-ben az általános relativitáselméletre ) és egyetlen jelenség sem mond ellent nekik. Ezért úgy gondoljuk, hogy ennek a két elméletnek ugyanazon egységes elmélet két közelítésének kell lennie, mint ahogy a newtoni mechanika is jó közelítése a relativisztikus mechanikának.

Azonban azok az energiák és feltételek, amelyek mellett a kvantum gravitáció ellenőrizhető, a Planck-skála energiái és körülményei , ezért technológiánk számára nem hozzáférhetők. Szintén nem állnak rendelkezésre olyan kísérleti megfigyelések, amelyek nyomot adnának a kombinálásukról.

E két elmélet ötvözésének legtriviálisabb módszerei (például a gravitáció mint közvetítő részecskével rendelkező mező: a graviton kezelése ) a renormalizáció problémájával állnak szemben . A gravitáció valóban érzékeny a tömegre, tehát a tömeg és az energia relatív relativitásbeli egyenértékűségének elve szerint az energiára is érzékeny. A gravitonnak tehát kölcsönhatásba kell lépnie önmagával, ami új gravitonokat hoz létre, amelyek viszont újra kölcsönhatásba lépnek. Tehát végtelen energiaértékek jelennek meg, amelyeket nem lehet kiküszöbölni.

A jelölt megközelítései

Számos javaslat született a probléma kezelésére:

• Az első kísérlet a gravitáció nem renormalizálhatóságának gyógyítására az volt, hogy hozzáadjuk a szuperszimmetria összetevőjét annak érdekében, hogy a graviton viselkedését a kisebb spinű más részecskék viselkedéséhez viszonyítsuk, és ezáltal tompítsuk az elmélet eltéréseit. Az eredményt szupergravitációs elméletnek nevezzük . Annak ellenére, hogy jobb viselkedése nagy energiákat, egy egyszerű többdimenziós elemzést az elmélet csatolási állandó (azaz Newton állandó ) azt sugallja, hogy az eltérések maradnak, és így, hogy ezek az elméletek kell helyettesíteni egy elmélet. Teljesebb amikor közeledik a Planck skála . Az ultraibolya divergenciák megjelenésének kérdése az elmélet perturbatív kezelésében azonban még 2019-ben nyitott kérdés. Valójában a legújabb, korabeli technikákkal végzett számítások megkerülve Feynman diagramjainak unalmas használatát magas rendű perturbatív számításokhoz, feltárta a korábban láthatatlan tulajdonságok létezését az elmélet Lagrang-féle megfogalmazásában. Valójában a váratlan törlések hatására az eltérések magasabb megrendelésekhez kerülnek vissza, kissé kívül esve a jelenlegi számítási hatókörünkön.

• Az M elmélet történeti okokból gyakran hívja a húrelméletet , pontosabban a szuperhúr elmélet a gravitáció kvantumleírásának megkísérlése, hanem a standard részecskefizikai modellben jelen lévő egyéb alapvető kölcsönhatások is . A húrelmélet különböző modelljei tökéletesen meghatározhatók kvantum szempontból, és figyelemre méltóan elismerik a szupergravitációs elméleteket hatékony alacsony energiaelméletekként. Ebben az értelemben a húrelméletek mikroszkopikus leírást nyújtanak, beszélünk az ultraibolya kiteljesedésről a szupergravitációs elméletekig is. Ez a terület legaktívabb ága a kutatók és a publikációk számát tekintve.

• A hurok kvantumgravitáció bevezetett Lee Smolin és Carlo Rovelli alapuló formalizmus Ashtekar kísérletet bemutatni egy kvantum készítmény kifejezetten független súlyossága a lehetséges háttér mutató (ellentétben a jelenlegi leírás az elmélet húrok még ha ez is reparametrization szimmetria , mint egy részhalmazát a szimmetriák ), amely egy természetes erőfeszítés összhangban a szellem általános relativitáselmélet . A húrelmélettel ellentétben a hurokkvantum gravitáció nem a többi alapvető kölcsönhatást írja le. Ezért egyáltalán nem akar elmélet lenni .

• A nem-kommutatív geometria javasolta Alain Connes különösen, hogy újjáépítsék a standard modell szerint a méretbeli csökkenés az általános relativitáselmélet egy fajta nem kommutatív szellemében a Kaluza-Klein elmélet igyekszik lemásolni az elektromágnesesség méret csökkentése általános relativitáselmélet a egy kör. Azonban az elemzés alapja egy klasszikus leírását a standard modell mind a mennyiségi modelljének még nem alakult ki: ezért még nem szigorúan véve egy kvantum leírását a gravitáció.

• Az utóbbi utóbbival közös fogalmakkal a dilaton először jelenik meg Kaluza-Klein elméletében . 2007-ben számos redukált dimenziós test problémájában jelenik meg, Roman Jackiw mezőelmélete alapján . A motiváció abból adódott, hogy teljes analitikai megoldást akartunk kapni az N test kovariáns problémájának metrikájára , ami az általános relativitáselmélet nehéz és szinte illuzórikus célja . A probléma egyszerűsítése érdekében a dimenziók számát (1 + 1) -re, azaz egy térbeli és egy idődimenzióra csökkentették. A kapott modellt R = T-nek nevezzük ( az általános relativitáselméleti G = T szempontjából). Nemcsak pontos megoldások érhetők el Lambert W-függvényének általánosításával kapcsolatban , a dilatánt a Schrödinger-egyenlet szabályozza, ezért a kvantálás alkalmazható. Így kapunk egy elméletet, amely egyesíti (és természetes módon egyesíti) a gravitációt (geometriai eredetű), az elektromágnesességet és a kvantummechanikát. Korábban ennek az elméletnek a magasabb dimenziókra való általánosítása nem volt világos. Másrészt, a közelmúltban deriválást (3 + 1) méretei, egy adott választás a koordináta feltételek, egy hasonló eredmény, vagyis a dilaton mező által szabályozott egy Schrödinger egyenlet nem-linearitását logaritmikus , hogy megjelenik a fizikája sűrített anyagok és szuperfolyadékok . Sőt, ezek az eredmények érdekesek, tekintettel a dilaton és a Higgs-bozon közötti hasonlóságra . E két részecske kapcsolatát azonban csak kísérletekkel lehet megoldani. Néhány tudós, aki a "4 + 1" dimenziót tanulmányozta, kimutatta, hogy ezt figyelembe lehet venni .

• A twistor elmélet a Roger Penrose javasolt az 1970-es bevezetett egy új formalizmus a tanulmány a megoldások az egyenletek általános relativitáselmélet , és mint ilyen nyújthatna jobb kiindulási pont mennyiségi meghatározására. De az ez irányú erőfeszítések nem jártak sikerrel, és az ilyen módon történő számszerűsítés projektjét ma felhagynak. Másrészt a csavaros formalizmus továbbra is hasznos marad a relativitáselmélet összefüggésében, és 2007-ben megújult érdeklődésre tett szert a Yang-Mills- elmélet húrelméleti tanulmányozásának részeként ( Witten munkája erről az utolsó pontról).

Kísérleti tesztek

A kvantum gravitáció hatásait rendkívül nehéz tesztelni. Éppen ezért a kvantum gravitáció kísérleti tesztelésének lehetőségére csak az 1990-es évek végén fordítottak különösebb figyelmet, azonban a 2000-es évek során a fizikusok rájöttek, hogy a kvantum gravitáció hatásainak bizonyítékainak megállapítása iránymutathatja őket az elmélet kialakításában. A terület azóta fokozott figyelmet kapott.

Kvantum objektum nem kvantum gravitációs mezőben

Bár a gravitációnak (és így annak eredetének) nincs kvantumleírása, lehetséges meghatározni egy kvantumobjektum viselkedését „klasszikus” gravitáció jelenlétében. A részecske mozgásának előrejelzése egy gravitációs mezőben (a gravitációhoz Newton-kifejezést használjuk, amely ezen a skálán kellően pontos) a klasszikus gyakorlat a hallgatók számára is. A gravitáció potenciális energiaszintjei jól számszerűsíthetők, bár a gravitáció nem.

A kísérletet azóta Valerij Nesvizhevsky hajtotta végre a grenoble-i Laue-Langevin Intézetben1, és megmutatta, hogy a neutronok valóban a kvantummechanika által megjósolt pályákon vannak.

Kvantum gravitációs detektálás

A legaktívabban kifejlesztett elméletek a Lorentz-invariancia , a kvantum gravitációs lenyomatok hatásai a kozmikus diffúz háttérben (különösen annak polarizációja) és a kvantumhab ingadozásai által kiváltott dekoherencia .

Az eredetileg a kozmikus extragalaktikus polarizációs kísérlet háttér képalkotása során végzett észleléseket először a gravitációs hullámok által okozott primordiálisnak (B-mód | B-módú polarizáció) értelmezték a korai világegyetemben. Ha valóban ősrégiek, ezek a hullámok kvantumingadozásként születnek magában a gravitációban. A Tufts University kozmológusa, Ken Olum ezt írta: „Úgy gondolom, hogy ez az egyetlen megfigyelhető bizonyítékunk, amely számszerűsített gravitációt mutat. Valószínűleg ez az egyetlen bizonyíték, amellyel valaha is rendelkezünk. "

Kvantumgravitációs teoretikusok

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

Függelékek

Kapcsolódó cikkek

• Elméleti fizika
• Graviton
• Dilaton
• AdS / CFT levelezés

Külső linkek

• (fr) Constantin Bachas , Húrelmélet és kvantumgravitáció , 8 oldal [PDF] , megjelent az Image de la Physique ( CNRS tudományos áttekintés a nagyközönség számára ) 2010-ben
• (en) A kvantumgravitáció bemutatása (A kapcsolat már nem létezik.)
• (en) Carlo Rovelli, Quantum gravity , 347 oldal [PDF]
• en) Carlo Rovelli, Megjegyzések a kvantum gravitáció rövid történetéhez ,2000. június[PDF] (az elmélet fejlődésének története)

Megjegyzések és hivatkozások

1. John A. Macken, Az univerzum csak téridő p. 4-7.
2. (a) Bern , Carrasco , Chen , Edison , Johansson , Parra-Martinez , Roiban és Zeng , "  Ultraviolet tulajdonságai N = 8 szupergravitáció át öt hurokra  " , Phys. Fordulat. D , n o  98,2018( DOI  10.1103 / PhysRevD.98.086021 , arXiv  1804.09311v1 )
3. PS Farrugia, RB Mann és TC Scott (2007). "N-test gravitáció és a Schrödinger-egyenlet", osztály. Quantum Grav. 24  : 4647-4659, [1]  ; Arxiv cikk [2] .
4. (in) TC Scott , Xiangdong Zhang , Robert Mann és GJ Fee , "  Kanonikus redukció a dilatonikus gravitációhoz 3 + 1 dimenzióban  " , 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. Csáki , J. Hubisz , J. Serra és J. Terning , "  A Higgs-szerű dilaton  " , Eur. Phys. JC , vol.  73, n o  22013, P.  2333
6. (in) Az Univerzum számokban beszél - A kvantumékszer feltárása, Graham Farmelo, 2019
7. (in) Sabine Hossenfelder és VR Frignanni (szerkesztés), a klasszikus és kvantum gravitáció: Theory, Analysis and Applications , Hauppauge (New York), Nova Science Publishers ,2011, 656  p. ( ISBN  978-1-61122-957-8 , online olvasás ) , fejezet.  5 („A kvantum gravitáció kísérleti keresése”).
8. Sabine Hossenfelder és VR Frignanni ( szerk. ), „A  kvantum gravitációjának kísérleti keresése  ”, Klasszikus és kvantum gravitáció: elmélet, elemzés és alkalmazások , Nova Publishers, vol.  5, n o  20112010. október 17( Bibcode  2010arXiv1010.3420H , arXiv  1010.3420 )
9. [PDF] Alapfizika ultra hideg neutronokkal
10. Cécile Michaut, "  A neutronok számszerűsített ugrásai  ", La Recherche , n o  353,2002. május, P.  16 ( online olvasás )
11. Camille Carlisle, "  First Direct Evidence of Inflation Big Bang  " , SkyandTelescope.com (hozzáférés : 2014. március 18. )