La naturaleza de la gravedad: gravitones, la curvatura del espacio-tiempo, o ambas?

Question

La relatividad General nos dice que lo que percibimos como la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo.

En el otro lado (como yo lo entiendo) la gravedad puede ser entendida como una fuerza entre los objetos que se intercambia (hipotético) de partículas virtuales llamadas gravitones, similar a la forma en que las fuerzas electromagnéticas son debido a los objetos de intercambio de fotones virtuales?

Al menos a primera vista, los dos conceptos que parecen mutuamente excluyentes. Hay una descripción de la gravedad que incluye ambos, o es esta contradicción la que uno de los problemas en la combinación de GR con la mecánica cuántica?

Answer 1

Aquí es sólo una pequeña observación. Es posible dar una estricta prueba matemática acerca de la equivalencia de estas dos imágenes.

Si usted acaba de empezar con los tres (semi-experimental) hechos: la invariancia de Lorentz, $1/r$ largo alcance de la cola de la fuerza gravitacional y su modo de acción (atracción) y el hecho de que la curvatura de la luz casi no depende de su frecuencia y la polarización, a continuación, usted encontrará que estos hechos son compatibles (en el gran límite de distancia) sólo con la masa de helicidad $\pm2$ de las partículas de intercambio. Después de eso, se ha demostrado que la teoría especial de la relatividad y de la analítica de las propiedades de dispersión de la amplitud de plomo para que el principio de equivalencia [1,2]. Este teorema es una analógico puro de Gell-Mann-Bajo-Goldberger suave fotones teorema, que afirma que la expansión de la energía de la amplitud de la dispersión de fotones por un hadrón (con respecto a los fotones de frecuencia) no depende de la tirada o la estructura interna de los hadrones (hasta el segundo orden). Considerando multigraviton amplitudes de dispersión se puede probar que el local todos los vértices de suave gravitones corresponden a la expansión de la de Einstein acción.

Esto significa que el intercambio de helicidad $\pm2$ masa de la partícula inevitablemente conduce a la clásica de la relatividad general (la declaración opuesta es trivial).

Este programa fue iniciado por Steven Weinberg [1,2] y terminado por el Desierto y Boulware [3]. Usted puede encontrar la consideración, en su artículo [3] con el título de "Clásico de la relatividad general de deriva de la gravedad cuántica". Este trabajo es una verdadera obra maestra de la clara explicación física de este problema.

Referencias

[1] S. Weinberg, Fotones y gravitones en S-la teoría de la matriz: la derivación de la conservación de la carga y la igualdad de la gravitacional y la masa inercial, Phys. Apo. B135 (1964) 1049.

[2] S. Weinberg, Fotones y gravitones en la teoría de la perturbación: derivación de Maxwell y las ecuaciones de Einstein, Phys. Apo. B138 (1965) 988.

[3] D. G. Boulware, S. Deser, Clásica de la relatividad general de deriva de la gravedad cuántica, Ann. Phys. 89 (1975) 193.

Answer 2

Bueno, piensa en esto: lo mismo sucede con las fuerzas electromagnéticas. Podemos describir como partículas de responder a la presencia de campos eléctricos y magnéticos, o nos puede describir como el resultado del intercambio de fotones virtuales. Esos puntos de vista parecen igualmente incompatibles, pero, sin embargo, ambas teorías (la electrodinámica clásica y cuántica, electrodinámica, respectivamente) dan excelentes predicciones. En realidad no podemos decir que uno es más "correcto" que la de otro; sólo tenemos que aceptar los dos.

La situación con la gravedad es casi una analogía directa con el electromagnetismo. Podemos describir la gravedad como partículas de responder a la presencia de la curvatura del espacio-tiempo, o nos puede describir como el resultado del intercambio de gravitones virtuales. Como con EM, estas opiniones se corresponden a los clásicos de la gravedad cuántica y la gravedad, respectivamente. Pero la diferencia es que, a pesar de la relatividad general se llena el papel de la teoría clásica, no tenemos una buena teoría cuántica de la gravedad todavía.

Yo no diría que el campo de la dualidad de la partícula es uno de los problemas que impide la combinación de la mecánica cuántica con la GR. Después de todo, hemos tenido ningún problema en conseguir alrededor de la doble descripciones de electromagnetismo. Es sólo la peculiar detalles de la gravedad cuántica, que hacen difícil la teoría a desarrollar.

Answer 3

Aunque la analogía entre la gravedad y el electromagnetismo hechas por David está muy bien y la auto-lo que sugiere, que debe ser cuidadosamente agregó que no hay ninguna prueba de que la gravedad debe ser como el intercambio de gravitones en el nivel microscópico. Nosotros en realidad no sabemos lo que la imagen microscópica de la gravedad es, y podría llegar a ser muy diferente de la conocida descripción en términos de partículas portadoras de la fuerza.

Por ejemplo, a principios de este año hubo un preprint por Erik Verlinde lo que sugiere que la gravedad puede ser una fuerza entrópica. Esto es cierto, gravitones no aparecen en esta foto. Este preprint se está debatiendo activamente (más de 100 citas de este año). Sin embargo, también debe decirse que Verlinde la sugerencia sigue siendo una sugerencia, no una teoría, ya que se basa en algunas turbias heurística de argumentos, no de una sólida teoría matemática.

Actualización: el comentario de abajo señala correctamente que, independientemente de la teoría microscópica de la gran longitud de onda de las ondas gravitacionales que existen en cualquier caso y que puede ser cuantificada dando lugar a gravitones. Así que, supongo que mi precaución era engañosa.