La teoría cuántica parece ser un marco universal para la interacciones físicas. El Modelo Estándar de física de partículas, por ejemplo, es descrito por una teoría de campo cuántica de las interacciones fuerte y electrodébil. La única excepción hasta ahora es la gravedad, que está correctamente descrita por una teoría clásica: la teoría de Einstein de la relatividad general. La expectativa general, sin embargo, es que la relatividad general es incompleta y debe combinarse con la teoría cuántica a una teoría fundamental de la gravedad cuántica [ver aquí y aquí]. Una de las razones son los teoremas de singularidades en la teoría de Einstein, el otro es el universal acoplamiento de la gravitación a todas las formas de energía y por lo tanto a la energía de todos los campos cuánticos.
A pesar de muchos intentos en los últimos 80 años, una teoría cuántica final de la gravedad es difícil de alcanzar. Hay varios enfoques, que tienen sus ventajas y deficiencias . Un problema importante en la búsqueda de una teoría final es la falta de pruebas empíricas hasta ahora. Este problema generalmente se atribuye al hecho de que la escala de Planck, en el que los efectos cuánticos de la gravedad se suponen que sean fuertes, está muy remota de cualquier escala pertinente. Expresada en unidades de energía, la escala de Planck es 15 órdenes de magnitud más alta que incluso la energía alcanzable del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Ginebra. Por tanto, es inútil investigar la escala de Planck directamente por los experimentos de dispersión.
En nuestro estudio [ver aquí], hemos abordado la cuestión de si los efectos de la gravedad cuántica se pueden observar en un contexto cosmológico. Más precisamente, se ha investigado la presencia de posibles efectos en el espectro de la anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB).
Sin embargo, dada la presencia de muchos enfoques, cual marco se debería usar para los cálculos? Hemos decidido ser lo más conservadores posible y basar nuestra investigación sobre geometrodinámica cuántica (ver aquí), la cuantificación directa de la teoría de Einstein. La ecuación central en este enfoque es la ecuación de Wheeler-DeWitt, nombrada después del trabajo pionero de Bryce DeWitt y John Wheeler [ver aquí y aquí]. Se trata de un enfoque conservativo debido a que la ecuación de Wheeler-DeWitt es la ecuación cuántica, que conduce directamente a la relatividad general en el límite semiclásico. Ella tiene para la gravedad el mismo valor que la ecuación de Schrödinger tiene para la mecánica.
Mientras que la ecuación de Wheeler-DeWitt es difícil de resolver en toda su generalidad, se puede tratar en un esquema de aproximación que es similar a un esquema conocido de la física molecular - la aproximación de Born-Oppenheimer. Básicamente consiste en una expansión con respecto a la energía de Planck. Así pues, se supone que el relevante parámetro expansión es (el cuadrado de) la relevante escala de energía correspondiente a la energía de Planck. Un esquema de Born-Oppenheimer de este tipo se ha aplicado a la gravedad [ver aquí y aquí y aquí]. De esta manera, uno primero llega al límite de la teoría de campo cuántica para un fondo fijo. El siguiente orden entonces da las correcciones cuánticas-gravitatorias que son inversamente proporcionales a la masa de Planck al cuadrado. Estos son los términos de corrección que hemos evaluado para el CMB. La discusión cuantitativa, sobre la que se basa nuestro ensayo, se presenta [aquí]. Asumimos que el universo pasó por un período de expansión inflacionaria en una etapa temprana y que fue esta inflación la que produjo las anisotropías del CMB fuera de las cuales toda la estructura en el Universo han evolucionado.
¿Cuáles son los resultados? Los cálculos muestran que los términos de la corrección cuántica-gravitatoria conducen a una modificación del espectro de potencia de las anisotropías que es más pronunciado para grandes escalas, es decir, para separaciones angulares grandes en el cielo. Más precisamente, se encuentra una supresión de la potencia a gran escala. Tal supresión puede, en principio, ser observada. Dado que hasta el momento tal señal no se ha identificado, ni siquiera en las mediciones del satélite WMAP, podemos encontrar en nuestra investigación sólo un límite superior a la tasa de expansión del Universo inflacionario. El efecto es por lo tanto demasiado pequeño para ser visto, según parece, aunque se espera que sea considerablemente más grande que los efectos cuánticos-gravitatorios en el laboratorio.
Una investigación similar se hizo para la cosmología cuántica de bucles [ver aquí]. Encontrándose que los efectos gravitacionales cuánticos conducen a una mejora de la potencia a gran escala, en lugar de una supresión. Estas consideraciones por lo tanto pueden ser capaces de discriminar entre los diferentes enfoques de la gravedad cuántica.
¿Cuáles son las implicaciones para las futuras investigaciones? Queda por ver si el tamaño de las correcciones cuántico-gravitatorias pueden llegar a ser lo suficientemente grande como para ser observables en otras circunstancias. Uno podría pensar en la polarización de las anisotropías del CMB o en las funciones de correlación de las galaxias. Estas investigaciones son importantes porque no habrá ningún avance fundamental en la investigación de la gravedad cuántica sin la guía de observación. Esperamos que nuestro ensayo estimule la investigación en esta dirección.
artículo de los físicos Claus Kiefer y Manuel Krämer para 2physics.com
fuente de la información:
http://www.2physics.com/2012/07/quantum-gravity-can-it-be-empirically.html#links
