¿Por qué los gravitones no distinguen la gravedad de la aceleración inercial?

Question

Si los gravitones median la fuerza gravitatoria, ¿no podría utilizarse la detección de gravitones por un observador para distinguir si está experimentando una aceleración gravitatoria frente a una aceleración inercial, contradiciendo la relatividad general? Si no es así, y la detección de gravitones no puede utilizarse para distinguir la gravedad de otra aceleración, ¿no debería afectar la aceleración a la forma en que los objetos interactúan con el campo gravitatorio?

Obviamente, esto no puede ser correcto, así que ¿qué me estoy perdiendo?

Answer 1

Los gravitones no median la fuerza gravitatoria y no se pueden detectar gravitones parpadeando entre objetos que interactúan gravitatoriamente. Como no se pueden detectar los gravitones, no se pueden utilizar dichos gravitones para averiguar si la aceleración es inercial o gravitatoria.

A menudo se dice que las fuerzas se deben al intercambio de partículas virtuales, por ejemplo la fuerza EM se debe al intercambio de fotones virtuales mientras que la fuerza gravitatoria se debe al intercambio de gravitones virtuales. Pero las partículas virtuales son un artificio computacional y no existen realmente. Esos diagramas de Feynman que has visto mostrando el intercambio de una partícula virtual son sólo una representación gráfica de una integral llamada propagador y no muestran un proceso físico. No me cansaré de repetirlo:

Las partículas virtuales no existen ¡!

Los gravitones reales son los cuantos de las ondas gravitacionales, al igual que los fotones reales son los cuantos de las ondas luminosas, pero los gravitones reales no transmiten la fuerza gravitacional al igual que los fotones reales no transmiten la fuerza EM.

Cuando escribimos la cuatro-aceleración de algún observador la escribimos como una suma de los términos inerciales y gravitacionales:

$$ A^\alpha = \frac{\mathrm d^2x^\alpha}{\mathrm d\tau^2} + \Gamma^\alpha{}_{\mu\nu}U^\mu U^\nu $$

donde el primer término de la derecha es la parte inercial y el segundo la parte gravitatoria. Sin embargo, ninguno de los dos términos del lado derecho son tensores, por lo que ambos cambian cuando cambiamos el sistema de coordenadas. Un principio fundamental de la relatividad general es que no podemos distinguir entre los dos términos, ya que cualquiera de ellos puede hacerse cero simplemente eligiendo las coordenadas adecuadas. De hecho, éste es el principio de equivalencia expresado matemáticamente.

Answer 2

En primer lugar, la teoría pura de la Relatividad General no tienen gravitones, sólo tiene curvatura del espaciotiempo. Los gravitones son una partícula cuántica, y la RG no es una teoría cuántica. Con suerte, algún tipo de teoría de la gravedad cuántica unirá la RG y la teoría cuántica de campos, pero aún no tenemos una teoría QG exitosa. Así que no sabemos si los gravitones existen, pero teniendo en cuenta el éxito de las teorías cuánticas, no es demasiado exagerado decir que probablemente existen.

Sin embargo, aunque una teoría QG diga que los gravitones existen, es posible que no podamos detectar gravitones individuales directamente porque (como menciona Anna V) interactúan muy débilmente con otras partículas (y entre sí). Ya es bastante difícil detectar ondas gravitacionales potentes. Si nos cuesta ver un auténtico tsunami gravitatorio, ¿qué esperanza tenemos de captar una sola gota de ese tsunami?

Por otra parte, no hace falta buscar gravitones para distinguir entre una aceleración uniforme y un campo gravitatorio. El principio de equivalencia es local: esencialmente dice que un trozo suficientemente pequeño de espaciotiempo curvo se parece aproximadamente al espaciotiempo plano. No es posible que un campo gravitatorio real sea perfectamente uniforme en todas partes. Por tanto, si se nos permite realizar mediciones en una región extensa del espacio, podemos detectar fácilmente que el campo no es uniforme.

Por ejemplo, si estás en una nave espacial de 1 km de altura en el espacio profundo, acelerando perfectamente suave a 1 g entonces el principio de equivalencia dice que se siente lo mismo que si estuvieras en reposo en la Tierra. Sin embargo, en la Tierra, si asciendes 1 km medirás una aceleración gravitatoria ligeramente menor, mientras que en la nave, la aceleración será la misma en la sección superior que en la inferior.

En realidad, ese ejemplo puede ser un poco engañoso, ya que en ambos casos un reloj de la sección superior funciona más despacio que un reloj de la sección inferior, de acuerdo con el principio de equivalencia. Alfred Centauri explica muy bien este efecto en esta respuesta . Esto se probó en la Tierra en 1960 en el Experimento Pound-Rebka . Una mejor ilustración es cuando soltamos 2 masas. En el cohete, ambas caen hacia abajo. En la Tierra, ambas caen hacia el centro de la Tierra, por lo que sus trayectorias convergen ligeramente, como se ilustra en esta animación, cortesía de Markus Pössel :

Answer 3

Me gusta la respuesta de John Rennie y anna v, y, sólo añado una pequeña aclaración en este caso para hacer hincapié en un tema.

Es muy importante distinguir entre un campo estático (GW o EM) y una onda (GW o EM). Creo que esta distinción es la respuesta a su pregunta. Detectar gravitones no nos ayudará a falsar el principio de equivalencia porque:

1. los efectos de la gravedad en su caso son causados por el campo gravitatorio estático, que describimos utilizando gravitones virtuales. Estos gravitones virtuales son un modelo matemático. No son partículas reales (Ten en cuenta que en este sitio se debate si estas partículas virtuales pueden llegar a ser reales o no, pero en este caso, las utilizamos como modelo matemático). Se utilizan para describir el fenómeno de los efectos del campo gravitatorio estático, que incluye la (aceleración y el principio de equivalencia) en su ejemplo. Lo mismo ocurre con los campos EM estáticos, en los que utilizamos fotones virtuales que describen el fenómeno de los efectos de este campo EM estático.

https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_field

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_field

2. Existen ondas EM y gravitacionales, que están formadas respectivamente por fotones y gravitones. No son fotones ni gravitones virtuales. Ya hemos detectado ondas gravitacionales, pero esto no constituye una prueba experimental de la existencia de gravitones individuales.

https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave

Así que la respuesta a su pregunta es que, incluso si fuéramos capaces de detectar gravitones individuales, esto no podría ayudar a probar/desmentir el principio de equivalencia, porque este principio describe los efectos del campo gravitatorio estático.

En términos generales, las ondas gravitacionales son irradiadas por objetos cuyo movimiento implica aceleración y su cambio, siempre que el movimiento no sea perfectamente simétrico esféricamente (como una esfera en expansión o contracción) o simétrico rotacionalmente (como un disco o esfera que gira). Un ejemplo sencillo de este principio es una pesa que gira. Si la pesa gira alrededor de su eje de simetría, no irradiará ondas gravitacionales; si gira de un extremo a otro, como en el caso de dos planetas que orbitan uno alrededor del otro, irradiará ondas gravitacionales. Más técnicamente, la segunda derivada temporal del momento cuadrupolar (o la l-ésima derivada temporal del l-ésimo momento multipolar) del tensor tensión-energía de un sistema aislado debe ser distinta de cero para que emita radiación gravitatoria.

Ahora hay que hacer otra distinción. Este es un punto crucial para su pregunta. Para crear gravitones reales, para crear ondas gravitacionales, se necesita un momento cuadrupolar dependiente del tiempo (la segunda derivada temporal del tensor tensión-energía tiene que ser distinta de cero). Si, y sólo si, tu nave espacial puede hacer esto, sólo entonces podría emitir gravitones, y podrías detectarlos. Ahora bien, si se puede construir una nave espacial que se mueva como una mancuerna que gira de un extremo a otro, emitirá ondas gravitacionales, que están formadas por gravitones, y se podrán detectar.

Answer 4

En una teoría de campo clásica, el movimiento de las partículas modifica el campo, ya que el campo modifica el movimiento de las partículas. En una teoría cuántica, ambos aspectos se tratan como el mismo fenómeno. Las partículas como los fotones y los gravitones representan cambios en el campo debidos al movimiento de las partículas de "materia", y cuando se produce un cambio en una parte del campo, éste se propaga a otra parte, llevando impulso, hasta que es capaz de mover otra partícula material a otro lugar. Así que, en realidad, una partícula portadora de fuerza no es más que otra forma de decir que el campo está en una configuración que aplica una fuerza a la materia que pasa a través de él, como si fuera una partícula con la que se pudiera colisionar.

Piénsalo como una ola de agua que hace que un corcho se balancee. La esencia de la ola es que la superficie del agua no está inmóvil, por lo que se aplica una fuerza a cualquier cosa que flote en ella. Una onda de agua con movimiento sinusoidal empuja cualquier cosa que se encuentre en ella. Pero puedes obtener el mismo tipo de efecto con una "ola estática", en la que el agua se mueve constantemente en la misma dirección, como un río. El agua empuja el corcho de la misma manera, pero ya no es un efecto oscilante. Se puede pensar en el río como el límite de algo parecido a una onda infinitamente lenta y de longitud de onda infinitamente larga. Es como una onda "virtual". En cierto sentido, es una ficción matemática. En otro, es una descripción perfectamente válida de la física ondulatoria llevada a un extremo particular.

Pero el movimiento de un río es relativo. Puedes pensar que el agua pasa por delante de ti o que tú pasas por delante del agua. La física es la misma. De la misma manera, un campo puede parecer diferente dependiendo de tu estado de movimiento.

Así, en el caso de la gravedad, una gran masa curva el espaciotiempo para aplicar una fuerza sobre la materia que flota en su superficie, como el agua que fluye por un desagüe. En el caso de la rotación, el espaciotiempo parece doblado, como si pasaras junto al agua en lugar de que el agua pasara junto a ti.

En la medida en que la curvatura del espaciotiempo puede describirse en términos de gravitones, tanto la gravedad de una masa como la fuerza centrífuga de rotación constituyen un "gravitón", una perturbación de la planitud aparente del espaciotiempo, del mismo modo. No se pueden distinguir.

(Advertencia: se trata de un muy analogía suelta, la gravedad en realidad no funciona como un fluido que fluye. Y la gravedad aún no es cuantificable. Tengo entendido que hubo un primer intento de modelizarla como el campo de una partícula cuántica de espín 2 apodada "gravitón", pero no funcionó del todo).

Answer 5

Esta segunda entrada en respuesta a:

¿Por qué los gravitones no distinguen la gravedad de la aceleración inercial?

He encontrado este artículo "Ondas gravitacionales: Fuentes, detectores y búsquedas" que ofrece datos (de referencia) sobre las ondas gravitacionales procedentes de una pesa hecha por el hombre y sometida a rotación.

Imaginemos una mancuerna formada por dos masas compactas de 1 tonelada con sus centros separados 2 metros y girando a 1 kHz alrededor de una línea bisectriz y ortogonal a su eje de simetría, como se muestra en la figura 2.

La detección de las ondas no es posible debido a su amplitud muy pequeña.

Cuando la mancuerna no gira no hay ondas gravitatorias, sólo la gravedad newtoniana de sus masas.

La detección de ondas gravitacionales permitiría saber si hubo rotación o no. Se podría saber si las masas están en un marco no inercial.

Por tanto, si los gravitones existen y fuera posible detectar gravitones individuales, si las dos masas formaran parte de una estación espacial, habría una forma de que los observadores externos detectaran si hay rotación o no. Por supuesto, sería mucho más sencillo ver esto con fotones, como un cambio de la ubicación en el espacio en función del tiempo.