¿Existe la gravedad en el vacío?

Question

Mi entendimiento siempre ha sido que proviene de cursos de ciencias convencionales, pero realmente pensando en ello, me preguntaba si este es realmente el caso.

A mi limitado entendimiento hay una teoría de que existen gravitones que actúan como partículas para atraer dos masas diferentes juntas. Si estos gravitones realmente son las partículas físicas de la gravedad, entonces un llamado "vacío" que tuviera gravedad no sería un vacío en absoluto. Un verdadero vacío debería carecer de estas partículas, y por lo tanto, ¿carecer de gravedad?

¿Cualquier cosa en el vacío debería entonces implosionar debido a su propia atracción gravitatoria dentro de sí misma? Si este es el caso, ¿podríamos decir que en un vacío real, la gravedad externa no existe?

Answer 1

Tu intuición es buena, pero estás mezclando algunos fenómenos cuánticos y clásicos.

En la física clásica (es decir, no cuántica), un vacío es una región del espacio sin materia. Puedes tener campos electromagnéticos en un vacío, siempre y cuando las cargas que crean los campos estén en una región diferente. Del mismo modo, puedes tener campos gravitacionales en un vacío, generados por masas en otro lugar en el espacio. En esta descripción clásica del universo, no existen cosas como fotones o gravitones, y todo (en su mayor parte) funciona correctamente.

En la física cuántica, la historia no es tan fácil. Como dices, ahora nuestros campos de fuerza también son partículas (fotones y gravitones), ¿entonces tal vez un "vacío cuántico" tampoco debería incluirlos? Desafortunadamente, resulta que en la mecánica cuántica (como señaló Rob) es imposible tener un vacío perfecto, un estado sin partículas en absoluto. Una forma de ver esto es a través del principio de incertidumbre energía-tiempo: $\Delta E \ \Delta t > \hbar/2$.

Un vacío perfecto, un estado sin partículas en absoluto, debe tener una energía exactamente igual a cero. Si la energía es exactamente cero, entonces es completamente cierta, y $\Delta E = 0$ lo que viola el principio de incertidumbre. Así que el vacío cuántico no es un estado con cero partículas, es un estado con probablemente cero partículas. Y en diferentes situaciones puedes encontrar útil alterar tu definición de "probablemente," por lo que hay muchas cosas diferentes que los físicos llamarán "vacío" en la mecánica cuántica.

Esta idea, de que cuánticamente siempre hay algunas partículas alrededor en cualquier región del espacio, tiene algunas consecuencias interesantes que hemos verificado en el laboratorio! Una es el Efecto Casimir. Esta es una fuerza que aparece cuando mueves dos objetos en un vacío tan cerca el uno del otro que la presión de estos fotones "virtuales" hace que se atraigan. Otra es la partícula que descubrieron en el LHC, el Bosón de Higgs. El campo de Higgs tiene un "valor de expectación de vacío", un vacío cuántico perfecto tendrá un campo de Higgs no nulo en toda su extensión. ¡Las excitaciones de este campo son las partículas de Higgs encontradas en el LHC!

Answer 2

El gravitón es el bosón de calibre hipotético asociado con el campo gravitacional. Digo hipotético porque está lejos de ser claro si la gravedad puede ser descrita por una teoría cuántica de campos, por lo que no está claro si los gravitones son una descripción útil.

En cualquier caso, no deberías tomar la noción de partículas virtuales como el gravitón demasiado en serio. Echa un vistazo al artículo de Matt Strassler sobre partículas virtuales. Las partículas virtuales son realmente solo un dispositivo matemático para describir la energía en campos cuánticos. Así que incluso si el gravitón es una buena descripción de la gravedad, no deberíamos ver el vacío como lleno de gravitones y, por lo tanto, no realmente un vacío.

Por ejemplo, supongamos que ponemos una partícula cargada en un vacío. ¿Dirías que el vacío no es realmente un vacío porque hay un campo eléctrico en él? Si es así, entonces también tendrías que decir que el vacío cerca de un cuerpo masivo no es un vacío porque hay un campo gravitacional en él. Aunque supongo que hay cierta validez en esta afirmación, parece excesivamente celoso.

Answer 3

Simplemente estás confundiendo vacío con "nada", que es un concepto filosófico. Puedes verificar la definición en wiki

El vacío es el espacio que carece de materia. La palabra deriva del adjetivo latino vacuus que significa "vacante" o "vacío". Una aproximación a dicho vacío es una región con una presión gaseosa mucho menor que la presión atmosférica.[1] Los físicos a menudo discuten los resultados de pruebas ideales que ocurrirían en un vacío perfecto, a veces simplemente llamado "vacío" o espacio libre, y utilizan el término vacío parcial para referirse a un vacío imperfecto real como el que se puede tener en un laboratorio o en el espacio.

Existen diferentes teorías que intentan explicar la gravedad (curvatura del espacio-tiempo, gravitón, etc.) pero según ninguna de estas la gravedad o los gravitones pueden considerarse materia

Answer 4

En la mecánica cuántica, es imposible eliminar todas las partículas de un vacío. Un volumen de espacio-tiempo que sólo contiene fotones y gravitones en equilibrio térmico (o no) suena como un vacío perfectamente bueno para mí.

Answer 5

Un vacío perfecto nunca existe como se menciona en múltiples otros comentarios. Todas las "partículas mensajeras" son fluctuaciones de sus respectivos campos (por ejemplo, el gravitón es un lugar en el campo gravitacional que tiene un valor de energía distinto de cero). Todos los campos están sujetos a fluctuaciones cuánticas, en esencia, raramente no tienen energía en un punto pero las fluctuaciones promedian cero (esto es para la mayoría de los campos, otros como el propuesto campo de Higgs posiblemente tienen valores de energía significativos en su estado de energía más bajo). Ya que el gravitón también puede ser descrito como una función de onda (muy parecido a la luz; teóricamente existen las llamadas ondas gravitacionales que deforman el espacio-tiempo). Esto y el punto mencionado anteriormente son una prueba de por qué no existe tal cosa como un vacío perfecto. Lo que puede complicar un poco la situación es la teoría de cuerdas que predice que el gravitón es una cuerda cerrada sugiriendo su capacidad de interactuar con más de nuestras tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal. (Toda la información resumida del Fabric of the Cosmos de Brian Greene)