Oppenheim post-quantum gravity

[CharlesMcAndrew]

Ha aparecido en varios medios una reseña divulgativa de una nueva propuesta para juntarn gravedad y mecanica vuantica-

https://www.sciencedaily.com/release...IHy2fL93Zx-Bas

Los artículos. técnicos son estps dos. nUno corto:

https://arxiv.org/pdf/2310.12221.pdf

y notro largo:

https://arxiv.org/pdf/1811.03116.pdf

No he visto discusiones sobre el tema en otros lugares, a ver si alguien se anima.

P-S. Acabo de ver que Sabine Hossenfanden ha sacado un video sobre el tema.

https://backreaction.blogspot.com/2023/12/string-theory-gets-competition-new.html

[Weip]

Hola CharlesMcAndrew, no conocía los papers y la verdad es que son interesantes. No tengo tiempo de leer en detalle los cálculos pero si no he entendido mal va más por la vía de explicar la decoherencia a través de la gravedad.

Leyendo la introducción del artículo, me da la sensación que quizás su planteamiento no tiene una motivación muy clara. Comenta que otras teorías como cuerdas o LQG por ahora no han conseguido resultados a pesar del largo tiempo que llevan siendo investigadas, pero hecho en falta algún comentario sobre, quizás, el argumento más a favor de que la gravedad debe ser cuántica: El modelo estándar, como teoría efectiva, es válido hasta la escala de Planck, justo cuando los efectos de la gravedad son importantes. Cuantizar la gravedad mata dos pájaros de un tiro: explicar dudas que tenemos sobre agujeros negros y relatividad general pero, también, dar con la compleción ultravioleta del modelo estándar. Sobre este tema no comenta nada y lo hecho en falta, pero entiendo que él quiere introducir más la relación gravedad clásica con mecánica cuántica. Pasa que si no dice nada, no sé hasta qué punto es más lógico hacer teoría cuántica de campos en espaciotiempo curvo que explorar su propuesta.

En todo caso me ha parecido interesante, siempre he escuchado cosas de estas líneas de investigación sobre la relación de la gravedad con la decoherencia pero nunca había leído nada concreto. Quizás porque me parece extraño, la decoherencia suele ser entendida como un comportamiento intrínseco a la cuántica. Es cierto que él mismo se aleja del tema y dice que el objetivo final es resolver la paradoja de la información en agujeros negros, pero por ahora no se puede decir nada más. ¿Tú cómo lo has visto?

[Jaime Rudas]

Yo de este tema no entiendo nada, pero ayer, en Coffee Break, Gastón Giribert y Francis Villatoro se explayaron sobre el tema.

[Fortuna]

Muy clarificador.

[Fortuna]

En mi opinión intentar explicar la gravitación con partículas es lo mismo que intentar explicar el efecto coriolis con partículas. O eso o yo no he entendido nada de lo que es la gravedad, que también podría ser.

[Weip]

Yo de este tema no entiendo nada, pero ayer, en Coffee Break, Gastón Giribert y Francis Villatoro se explayaron sobre el tema.

Gracias, iré a escucharlo entonces a ver qué comentan.

En mi opinión intentar explicar la gravitación con partículas es lo mismo que intentar explicar el efecto coriolis con partículas. O eso o yo no he entendido nada de lo que es la gravedad, que también podría ser.

Entiendo que haces referencia al gravitón. Si te soy sincero, yo tampoco soy muy fan de explicar la gravedad con una partícula mediadora. Pasa que si se cuantiza la relatividad general directamente, las interacciones entre gravedad y partículas elementales están mediadas por gravitones. ¿Qué ha sido de la curvatura del espaciotiempo? No se sabe. Además la teoría que surge es una aproximación, pero solo eso, pues las correcciones cuánticas divergen. Por tanto no es una teoría definitiva sobre la gravedad cuántica. Eso sí, una teoría de la gravedad cuántica completa, en algún límite, debería poder ser aproximada en términos de gravitones, sean estos fundamentales o no.

[Fortuna]

Eso sí, una teoría de la gravedad cuántica completa, en algún límite, debería poder ser aproximada en términos de gravitones, sean estos fundamentales o no.o.

Comprendo, pero eso es precisamente lo que no comparto. En todo caso, si se define la estructura del espacio-tiempo en función de cuantos, éstos serán los gravitones. En física, que yo sepa, todo se hace con ecuaciones diferenciales donde hay una magnitud, el campo, y las coordenadas de espacio y el tiempo. Cuantizar la gravedad llevaría a cambiar estas dos últimas (y posiblemente el campo también) y sustituirlos por los gravitones. No me parece adecuado ni necesario.

Tal vez sea de provecho explorar las contradicciones actuales de incompatibilidad entre la mc y tgr que llevan a las suposición de que es necesaria esta unificación. Tal vez sea simplemente imposible llegar a tales circunstancias. Dicho de otra forma, puede que lleguemos a los límites de la coherencia física como el principio de incertidumbre (que es una consecuencia de la falta de conmutatividad de operadores implicados), algo parecido en física a los teoremas de completitud de Gödel en matematicas.

[javisot20]

Cuantizar la gravedad, siendo la gravedad la curvatura del espaciotiempo, es tomar todas y cada una de las soluciones de las ecuaciones de Einstein (incluidas las soluciones no físicas) y sustituirlas por cálculos con gravitones.
Casi nada..

[Alriga]

Yo de este tema no entiendo nada, pero ayer, en Coffee Break, Gastón Giribert y Francis Villatoro se explayaron sobre el tema.

Francis ya ha publicado en su blog el habitual resumen con comentarios que suele hacer sobre los podcast de Coffee Break, este es el enlace: Podcast CB SyR 442: Geotormenta solar de 1872, metales extraños sin cuasipartículas, gravitación poscuántica, workshop en el IAS y origen de la estrella S0-6

Recordad que en este post del foro, pod explicaba muy bien como enfocar de manera natural la cuatización de la gravedad, y porqué la forma natural no funcionaba: Masa del gravitón post#8

Saludos.

[Fortuna]

He leído el primero de los artículos. Lo veo muy interesante. Hay diversidad de opiniones, como era de esperar y las objeciones son las del tipo expresadas en este foro, pero los cuánticos están muy seguros.

Como decía Feymann, -creo que era él-, la física no funciona como deseemos por muy bonita y elegante que sea nuestra teoría. (algo así ) Así que proponen un experimento tipo rendija. (Ver pdf)









La idea es lanzar un objeto masivo desde la izquierda y tratar de medir la gravedad en la derecha para intentar determinar por donde ha pasado la masa por la asimetría del lugar de detección, es decir, si la masa pasa cerca del detector, el efecto será mayor que si pasa lejos. Sabemos que la presencia de materia altera el paso del tiempo y sabemos medir, tanto el paso del tiempo como las ondas gravitacionales. Así que sí, el experimento es teóricamente posible y medir por donde ha pasado cada bola y anotar la frecuencia de los eventos. Y con ello observar si la distribución de probabilidad es de tipo interferencia o clásica (tipo campana).

El problema fundamental es que al parecer no podemos preparar el experimento con suficiente validez estadística debido a la baja intensidad del campo gravitatorio (ver pdf)

Si conseguimos preparar el experimento de la rejilla usando el principio de equivalencia podríamos multiplicar la precisión del experimento y salir de dudas.

En mi opinión intentar explicar la gravitación con partículas es lo mismo que intentar explicar el efecto coriolis con partículas. O eso o yo no he entendido nada de lo que es la gravedad, que también podría ser.

Cuando dije esto no lo decía como ejemplo, lo decía literalmente.

Habréis visto algún video donde tratan de explicar el efecto Coriolis. Se fabrica un columpio y dos observados hacen experimentos lanzándose el balón uno al otro y se observa como desde su frame la pelota se desvía mientras el columpio está girando quedando grabado en la cámara la trayectoria del balón. Con luz ocurriría lo mismo. Volvemos al experimento mental de Einstein donde llegó al principio de equivalencia.


No sé exactamente como puede hacerse. La trayectoria del un balón que sale del observador hace espirales alejándose de él. Por supuesto, lo mismo ocurre si alguien en la sala les arroja el balón y ellos filman su trayectoria. La energía del sistema (o equivalente) en rotación pueda calcularse fácilmente con la aceleración angular y de ahí, intentar deducir la masa o momento equivalente del columpio (cuanto más rápido rota, más se desvía, al igual que el experimento de Einstein la aceleración lineal del ascensor)

No veo ningún motivo para que ésto no pueda plantearse desde el punto de vista de relatividad general, resolver las ecuaciones y comprobar que salen las expresiones de la fuerza de coriolis.

Tras eso, intentar ver si podemos preparar el experimento de rejilla (ya que sabemos crear gravedad!) y en caso de interferencia clara avanzar en este campo o descartar una teoría cuántica de campos para la gravedad, si acaso.

[CharlesMcAndrew]

Unos pequeños detalles sobre la cuantización de gravedad mediante gravitones.

El método inicial de cuantizar la gravedad, en los trabajos de Wheeler-deWitth (está mal escrito el segundo de los nombres, pero ahora no doy con la forma correcta) se basa en el método del background. El segundo en hacer trabajos (al menos importantes) al respecto fue Feynmman.

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

Luego, a finales de los 70, y principios de los 80, otra gente, incluyendo a Gerard t'hooft mejoraron los método y probaron varios resultados sobre divergencias (curiosamente, a un loop la gravedad pura, sin interacción con la materia es renovable) y lo extendieron a supergravedad. En supergravedad la teoría es renormalizable hasta orden 7 y, durante un tiempo, se pensó que podría ser totalmente renormalizable.

La idea es que se divide la métrica, de forma un tanto arbitraria, en un fondo, que permanece clásico, y una perturbación, que cumple la ecuación de una onda gravitacional (y es una EDP lineal), y describe un campo cuántico de spin 2.. Como he mencionado la teoría no es renormalizable en general. Aclaro que lo que ésto significa. En general una teoría, a cada orden de teoría de perturbaciones, va a tener infinitos (que van a depender del esquema de regularización y del parámetro asociado a ese parámetro. En Klein-Gordon el parámetro puede ser un cut-off en el límite u8) superior de la integral en momentos, pero ese esquema no funciona en teorías gauge, dónde hay que usar regularización dimensional, es decir, usar espacio euclideo, usando tiempo imaginario, y el parámetro es el epsilon que multiplica el tiempo (i*e*t) usado para pasar al espacio euclideo desde el de Minkowsky). Los infinitos aparecen cuando el parámetro de regularización tiende a un cierto límite (infinito en el caso de u, o en el caso de epsilon). Los infinitos siempre se van a poder eliminar introduciendo contratérminos al lagrangiano. El problema es que sí los ocntratérminos son diferentes al lagrangiano original van a aportar una constante adicional por cada nuevo término, y, si hay infinitos contrarérminos, la teoría tiene infinitos parámetros que habría que ajustar experimentalmente y no es predictiva, Sí los contratérminos son iguales que el original entonces se pueden reabsorber como una redefinición de las constantes de ese lagrangiano, dando lugar a las renormalizaciones de la masa, carga, y constantes de acoplo.

La teoría de cuerdas parte de un lagrangiano clásico relativiista para una cuerda moviéndose en un espacio clásico (típicamente minkowsky, pero se puede hacer en cualquier entorno curvo, no sin dificultades). Las vibraciones de esas cuerdas tienen diversos modos. Uno de esos modos es el de una partícula de spin 2, y se considera que sería el gravitón que corresponde al cuanto de la gravedad. Esa teoría, una vez cuantizada (mediante el métrodo lagrangiano, con la intergral de Polyakov), admite una teoría perturbativa, similar a los diagramas de Feynman y, ésta sí, es renormalizable. Por tanto, en principiol, la teoría de cuerdas nos permite hacer cálculos de colisiones de partículas en la que la interacción esta mediada por la gravedad. El problema es que la mayoría de problemas típicos que surgen en temas de gravitación que presentan problemas a nivel clásico (singularidades de agujeros negros) o semiclásicos (cuantización en espacios curvos, que lleva a, por ejemplo la radiación Hawking y el subsiguiente problema de la información de agujeros negros) no tienen nada que ver con calcuilar secciones eficaces de colisiones entre partículas mediadas por la gravedad.

Sigo leyendo los artículos de Oppenhein (y material relacionado, como el que habéis enlazado). A ver si estas navidades puedo aportar algo mas al respecto (Y me entero como va el Latex en el foro ya de paso).

[Alriga]

...en los trabajos de Wheeler-deWitth (está mal escrito el segundo de los nombres, pero ahora no doy con la forma correcta)...

John Archibald Wheeler y Bryce Seligman DeWitt.

Saludos.

[Alriga]

...me entero como va el Latex en el foro ya de paso...

Usar LaTeX es muy sencillo se aprende en media hora. Aquí tienes un tutorial: Cómo introducir ecuaciones en los mensajes, aquí un blog, Aprender LaTeX y aquí puedes practicar tus fórmulas La web de Física - Prueba y ejemplos de LaTeX

Recuerda además que haciendo doble click en cualquier fórmula del foro verás el código en el que está escrita. Para copiarla, puedes seleccionarla con el ratón, clickar "Copiar" y a continuación con el botón derecho del ratón "Pegar como texto sin formato" en medio de los corchetes [TEX]Pegar como texto sin formato[/TEX] y ya está.

Saludos.

[Fortuna]

Muchísimas gracias CharlesMcAndrew por fin me entero de qué es la renormalización y por qué la gravitación no es renormalizable (y el escueto,pero muy claro, texto de Wikipedia sobre método del background).

La teoría de cuerdas parte de un lagrangiano clásico relativiista para una cuerda moviéndose en un espacio clásico (típicamente minkowsky, pero se puede hacer en cualquier entorno curvo, no sin dificultades). Las vibraciones de esas cuerdas tienen diversos modos. Uno de esos modos es el de una partícula de spin 2, y se considera que sería el gravitón que corresponde al cuanto de la gravedad. Esa teoría, una vez cuantizada (mediante el métrodo lagrangiano, con la intergral de Polyakov), admite una teoría perturbativa, similar a los diagramas de Feynman y, ésta sí, es renormalizable. Por tanto, en principiol, la teoría de cuerdas nos permite hacer cálculos de colisiones de partículas en la que la interacción esta mediada por la gravedad. El problema es que la mayoría de problemas típicos que surgen en temas de gravitación que presentan problemas a nivel clásico (singularidades de agujeros negros) o semiclásicos (cuantización en espacios curvos, que lleva a, por ejemplo la radiación Hawking y el subsiguiente problema de la información de agujeros negros) no tienen nada que ver con calcular secciones eficaces de colisiones entre partículas mediadas por la gravedad.

¿Podrías explicar esto?, Un experimento como el indicado anteriormente, ¿no aportaría nada?. ¿No tiene o da igual que surjan o no patrones de interferencia?

[javisot20]

La teoría de cuerdas parte de un lagrangiano clásico relativiista para una cuerda moviéndose en un espacio clásico (típicamente minkowsky, pero se puede hacer en cualquier entorno curvo, no sin dificultades). Las vibraciones de esas cuerdas tienen diversos modos. Uno de esos modos es el de una partícula de spin 2, y se considera que sería el gravitón que corresponde al cuanto de la gravedad. Esa teoría, una vez cuantizada (mediante el métrodo lagrangiano, con la intergral de Polyakov), admite una teoría perturbativa, similar a los diagramas de Feynman y, ésta sí, es renormalizable. Por tanto, en principiol, la teoría de cuerdas nos permite hacer cálculos de colisiones de partículas en la que la interacción esta mediada por la gravedad. El problema es que la mayoría de problemas típicos que surgen en temas de gravitación que presentan problemas a nivel clásico (singularidades de agujeros negros) o semiclásicos (cuantización en espacios curvos, que lleva a, por ejemplo la radiación Hawking y el subsiguiente problema de la información de agujeros negros) no tienen nada que ver con calcuilar secciones eficaces de colisiones entre partículas mediadas por la gravedad.

Entiendo que la parte renormalizable al cuantizar a gravedad es la asociada a las soluciones de RG que no violan las condiciones de energía, salvo excepciones por motivos ajenos a la propia cuantización, al contrario de las soluciones que sí las violan y no son renormalizables.

[CharlesMcAndrew]

Buscando material para poner algunas fórmulas en las respuestas me he encontrado una tesis doctoral que creo (no la he leído, claro, apenas la acabo de ojear) que podría aclarar un montón de dudas sobre la cuantización "naif" de gravedad:

https://arxiv.org/pdf/2010.08839.pdf

Si preferís los trabajos clásicos aquí está el de t'hooft y Veltman sobre divergencias a un loop en la gravedad cuántica.

https://dspace.library.uu.nl/bitstre...4705/14054.pdf

Entiendo que la parte renormalizable al cuantizar a gravedad es la asociada a las soluciones de RG que no violan las condiciones de energía, salvo excepciones por motivos ajenos a la propia cuantización, al contrario de las soluciones que sí las violan y no son renormalizables.

No sé si entiendo bien la pregunta así que me limito a explicar mejor lo que has citado. Cuanto me refiero a que la parte pura de la gravedad es renormalizable a un loop lo que quiero decir es que si consideramos diagramas en los que el gravitón interacciona consigo mismo, y no con otro tipo de partículas, esa parte si puede renormalizarse (a un loop), pero los diagramas de interacción del gravitón con cualquier tipo de partícula no. Leyendo el artículo de t'hooft y Veltman se debería poder sacar la misma conclusión, pero hace mucho que leí (por encima, sin entrar en detalles) ese artículo y tendría que revisar donde está cada cosa.

Tomado de la tesis que he enlazado al principio pongo una imagen del diagrama de Feynman para el gravitón.



En teoría de cuerdas cualquier interacción, incluyendo interacciones del gravitón con la materia, es renormalizable.

¿Podrías explicar esto?, Un experimento como el indicado anteriormente, ¿no aportaría nada?. ¿No tiene o da igual que surjan o no patrones de interferencia?

Los cálculos de matriz S (y secciones eficaces) son útiles para experimentos de colisiones a altas energías. A tree level (sin loops) la sección eficaz siempre va a coincidir con la clásica, así que la utilidad de la teoría cuántica de la gravedad perturbativa sería calcular esas correciones a la sección eficaz y hacer experimentos en colisionadores a ver si coinciden los resultados. En el caso de la gravedad eso no tiene una utilidad práctica debido a la debilidad de la interacción. Es decir, en las colisiones siempre van a ser muchísimo mas importantes los efectos debidos a las interacciones electromagnéticas, nuclear fuerte y nuclear débil (y posibles otras interacciones desconocidas) y las correciones a la sección eficaz debidas a la gravedad estarían enmarañadas entre un montón de ruido debido a esas interacciones y practicamente sería imposible discerniarlas.

Quizás la única utilidad de la gravedad cuántica perturbativa sería ver si hay alguna manera de calcular la probabilidad de crear un agujero negro mediante la colisión de dos partículas a altas energías. Es un tema bastante clásico y hay varios resultados al respecto, usando diversas técnicas (no siempre de gravedad cuántica), con trabajos pionero de Penrose, aportaciones de los hermanos Verlinde (famosos primero por sus aportaciones a la teoria de cuerdas, y luego por no recuerdo que tipo de alternativa a la teoria de cuerdas) . Un artículo mucho mas reciente que me he encontrado buscando el propagador del gravitón es Graviton propagator, renormalization scale and black-hole like states

:

https://arxiv.org/abs/1708.01485

Lo que comentas, que me imagino hace referencia al experimento que propone Oppenheim, es algo totalmente aparte de la gravedad cuántica (y de hecho de la teoría cuántica de campos) ya que sería un experimento a bajas energías. De hecho, según explica Francis (o el "negro" al que haya encarado que prepare esa parte del artículo) en su blog Oppenhein no usa teoría cuántica de campos en sus artículos sino formalismo de teoria cuántica no relativista en contacto con un reservorio clásico, la teoría de operadores de Lindblad, que no conocía de nada hasta ahora.

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

Por cierto, en las explicaciones que doy estoy asumiendo que el lector ha seguido al menos un curso de teoría cuántica de campos y sabe lo que es la cuantización canónica (de los campos de Klein-Gordon y de Dirac) y los diagramas de Feynman (lo que se suele ver en un primer cuatrimestre de QFT) y, perferiblemente, que haya visto también como hacer regularización y renormalización de la teoria de Klein gordon con un término de interacción $\lambda \Phi^4$ (lo que se suele ver en un segundo curso de QFT). Sin al menos esa esa base no es fácil entender lo que pretendo explicar.

Para poder entender los artículos sobre gravedad cuántica haría falta, además, saber como se cuantiza una teoría gauge, como el electromagnetismo, y, preferiblemente, las teorías gauge no Abelianas, para entender lo que significa un ghost de faddeved-Popov y demas. Aclaro también que, sí se quieren incluir fermiones en el formalismo de la relatividad general hay que abandonar el formalismo de la métrica y usar el del "vielbein" o "referree mobile" de Ellie Cartan, o alguna alternativa similar que pueda haber en geometría diferencial en variedades.

[Fortuna]

Los cálculos de matriz S (y secciones eficaces) son útiles para experimentos de colisiones a altas energías. A tree level (sin loops) la sección eficaz siempre va a coincidir con la clásica, así que la utilidad de la teoría cuántica de la gravedad perturbativa sería calcular esas correciones a la sección eficaz y hacer experimentos en colisionadores a ver si coinciden los resultados. En el caso de la gravedad eso no tiene una utilidad práctica debido a la debilidad de la interacción. Es decir, en las colisiones siempre van a ser muchísimo mas importantes los efectos debidos a las interacciones electromagnéticas, nuclear fuerte y nuclear débil (y posibles otras interacciones desconocidas) y las correciones a la sección eficaz debidas a la gravedad estarían enmarañadas entre un montón de ruido debido a esas interacciones y practicamente sería imposible discerniarlas.

Sin embargo es posible crear gravedad mediante el giro de tu sistema de referencia donde los efectos de las interacciones fuertes y electromagnéticas sólo son restricciones geométricas, es decir las fuerzas centrípetas siempre compensan exactamente las centrífugas si depreciamos las deformaciones. A no ser que pensemos que la gravedad que aparece debido a la materia sea diferente a la gravedad que se produce por otros medios, como hacer girar tu sistema de referencia.

https://arxiv.org/abs/1708.01485

Lo que comentas, que me imagino hace referencia al experimento que propone Oppenheim, es algo totalmente aparte de la gravedad cuántica (y de hecho de la teoría cuántica de campos) ya que sería un experimento a bajas energías. De hecho, según explica Francis (o el "negro" al que haya encarado que prepare esa parte del artículo) en su blog Oppenhein no usa teoría cuántica de campos en sus artículos sino formalismo de teoria cuántica no relativista en contacto con un reservorio clásico, la teoría de operadores de Lindblad, que no conocía de nada hasta ahora.

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

Así es.

Desconozco la formulación de Lindblad, pero me parece muy interesante por describir la interacción sistema-entorno, tal y como describe Wikipedia. La leeré con detalle más detalle.

Por cierto, en las explicaciones que doy estoy asumiendo que el lector ha seguido al menos un curso de teoría cuántica de campos y sabe lo que es la cuantización canónica (de los campos de Klein-Gordon y de Dirac) y los diagramas de Feynman (lo que se suele ver en un primer cuatrimestre de QFT) y, perferiblemente, que haya visto también como hacer regularización y renormalización de la teoria de Klein gordon con un término de interacción $\lambda \Phi^4$ (lo que se suele ver en un segundo curso de QFT). Sin al menos esa esa base no es fácil entender lo que pretendo explicar.

Para poder entender los artículos sobre gravedad cuántica haría falta, además, saber como se cuantiza una teoría gauge, como el electromagnetismo, y, preferiblemente, las teorías gauge no Abelianas, para entender lo que significa un ghost de faddeved-Popov y demas. Aclaro también que, sí se quieren incluir fermiones en el formalismo de la relatividad general hay que abandonar el formalismo de la métrica y usar el del "vielbein" o "referree mobile" de Ellie Cartan, o alguna alternativa similar que pueda haber en geometría diferencial en variedades.

Ciertamente, no es mi caso.

PD.Acabo de ver que en realidad lo que está diciendo es que no hace falta cuantizar la gravedad.