Astronomía

¿Existencia de gravitones?

¿Existencia de gravitones?


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Durante gran parte de mi vida desinformada, he dudado de la existencia de gravitones o incluso de que la gravedad sea una "fuerza" real (como el electromagnetismo). Esto se debe a que mi visión de la relatividad general era que la masa curva el espacio de tal manera que los objetos todavía viajan en "línea recta" cuando la "gravedad" actúa sobre ellos, de modo que no se necesita ninguna "fuerza". Ahora sé que esta es una visión ingenua, pero no estoy 100% seguro de por qué. Estaba pensando el otro día que el solo hecho de que la gravedad siga una ley del cuadrado inverso implica que es una fuerza transportada por partículas (cayendo en la intensidad del flujo debido a la geometría del espacio 3D).

Mi pregunta sería: ¿El hecho de que la gravedad siga una ley del cuadrado inverso se cae naturalmente de las ecuaciones de la relatividad general o es una suposición utilizada al desarrollar las ecuaciones?

Y, justo ahora, tuve la idea de que otras fuerzas también pueden curvar el espacio (solo en dimensiones más altas).


Durante gran parte de mi vida desinformada, he dudado de la existencia de gravitones o incluso de que la gravedad sea una "fuerza" real (como el electromagnetismo).

La gravedad es una fuerza como el electromagnetismo, pero tiene la propiedad especial de que todas las partículas de prueba caen de la misma manera en un campo gravitacional, sin importar su composición. Esto significa que las masas inerciales y las masas gravitacionales son las mismas (o al menos universalmente proporcionales, por lo que podemos usar unidades en las que son iguales), y somos libres de interpretar la caída libre gravitacional como movimiento inercial.

En términos de la teoría cuántica de campos, en realidad es un teorema que a bajas energías, las partículas de espín 2 sin masa deben acoplarse a toda la energía-momento por igual, independientemente de la especie de partícula. En otras palabras, el principio de equivalencia de la relatividad general es un teorema demostrable para los gravitones.

A la inversa, también podemos interpretar la relatividad general como un campo de espín 2 sin masa en un espacio-tiempo de fondo plano, pero debido a esta universalidad, el fondo no será observable por ningún experimento. Es por eso que los relativistas no tienden a hacer esto, ya que hace que la interpretación geométrica sea más conveniente.

Desafortunadamente, la relatividad general cuantizada se comporta muy mal si se intenta llevarlos a escalas de energía arbitrariamente. Físicamente, esto significa que se debe introducir algo de física nueva antes de esa fecha para solucionarlo. Sin embargo, este tipo de situación no es exclusiva de la gravedad, cuantificación que todavía tiene sentido como teoría de campo eficaz a energías más bajas; cf. reseña viviente de Cliff P. Burgess. La tensión entre la relatividad general y la mecánica cuántica a menudo se exagera en las descripciones populares.

Mi pregunta sería: ¿El hecho de que la gravedad siga una ley del cuadrado inverso se cae naturalmente de las ecuaciones de la relatividad general o es una suposición utilizada al desarrollar las ecuaciones?

La parte del cuadrado inverso desaparece por sí sola, pero la constante específica de proporcionalidad necesita una suposición adicional.

Si se considera una ecuación de campo general $ G _ { mu nu} = kappa T _ { mu nu} $, donde $ T _ { mu nu} $ es el tensor de tensión-energía que se supone simétrico y conservado covariantemente, entonces el tensor de Einstein $ G _ { mu nu} equiv R _ { mu nu} - frac {1} {2} g _ { mu nu} R $ es la única solución invariante de escala que se puede construir a partir de la métrica. Este requisito significa que solo se permiten términos que son de segundo orden en derivadas de la métrica, y se divide por ej. término constante cosmológico $ Lambda g _ { mu nu} $, ya que introduce una longitud $ Lambda ^ {- 1/2} sim 10 ^ {10} , mathrm {ly} $ en la teoría.

Hay otras formas de desarrollar la ecuación de campo de Einstein, p. Ej. a través de la acción de Einstein-Hilbert, que no necesita suposiciones específicas sobre el tensor de tensión-energía. Independientemente, el papel del límite newtoniano es fijar el valor de la constante indeterminada $ kappa = 8 pi G / c ^ 4 $. Si solo está interesado en una relación de cuadrado inverso similar a Newton, entonces eso solo no necesita suposiciones adicionales sobre tratar de igualar la gravedad newtoniana.

Dado un campo vectorial similar al tiempo $ u $, que puede interpretarse como las cuatro velocidades de alguna familia de observadores, podemos escribir la proyección tiempo-tiempo de una forma equivalente de la ecuación de campo de Einstein, $ R _ { mu nu} = kappa (T _ { mu nu} - frac {1} {2} g _ { mu nu} T) $, como $$ R_ {00} equiv R _ { mu nu} u ^ mu u ^ nu = frac {1} {2} kappa ( rho + 3p) text {,} $$ donde $ rho $ es la densidad de energía y $ p $ es el promedio de las tensiones principales como medido por un observador con cuatro velocidades $ u $. Para la materia no relativista, los términos de tensión son insignificantes en comparación con la densidad de energía.

La forma en que se discute típicamente el límite newtoniano es usar la aproximación de campo débil, $ g _ { mu nu} = eta _ { mu nu} + h _ { mu nu} $ con $ | h _ { mu nu} | ll 1 $, para mostrar que $$ frac {1} {2} kappa rho approx R_ {00} = R ^ alpha {} _ {0 alpha 0} approx partial_ alpha Gamma ^ { alpha} _ {00} approx- frac {1} {2} nabla ^ 2h_ {00} text {,} $$ que luego tiene la forma de la ecuación de Poisson para el potencial gravitacional newtoniano en términos de densidad de materia $ rho_ text {m} $, es decir, $ nabla ^ 2 Phi = 4 pi G rho_ text {m} $. Para partículas de prueba de movimiento lento, la ecuación geodésica reduce a Newtoni una ecuación de movimiento: $$ frac { mathrm {d} ^ 2 mathbf {x}} { mathrm {d} t ^ 2} = frac {1} {2} nabla h_ {00} = - nabla Phi text {.} $$ Otra forma de pensar en esto es escribir el tiempo adecuado de caída libre de la partícula y mostrar que su extremo es equivalente a su extremo. $ int left ( frac {1} {2} v ^ 2 + frac {1} {2} h_ {00} right) mathrm {d} t $, que es la acción acción (por masa) de una partícula sujeta a la gravedad newtoniana siempre que $ h_ {00} approx -2 Phi / c ^ 2 $.

Es posible que le interese esta derivación más simple de la ley gravitacional de Newton alrededor de un cuerpo esféricamente simétrico, basada en la interpretación geométrica de la curvatura de Ricci como la aceleración del volumen de una pequeña bola de partículas de prueba que inicialmente combaten.

Y, justo ahora, tuve la idea de que otras fuerzas también pueden curvar el espacio (solo en dimensiones más altas).

Kaluza y Klein hicieron esto para el electromagnetismo poco después de GTR, pero resulta que no es una forma directamente útil de pensar en otras fuerzas.

En cambio, podemos pensar en la curvatura de Riemann en relatividad general como la forma de curvatura de la conexión Levi-Civita en el paquete tangente de una variedad dada, con grupo de estructura $ mathrm {O} (1, n) $. Pero en este lenguaje, la fuerza del campo electromagnético es la curvatura de la conexión $ ieA_ mu $ sobre un paquete de líneas con grupo de estructura $ mathrm {U} (1) $. Las otras fuerzas no gravitacionales se describen de manera similar en la teoría de Yang-Mills.

En otras palabras, las otras fuerzas ya tienen una descripción en la que están causadas por una curvatura, pero no del espacio-tiempo. Entonces, si bien la gravedad es diferente de ellos, no es lo suficientemente diferente como para considerarla en cierto sentido 'menos real' que los demás.


La gravedad es una fuerza ficticia, en realidad, muy parecida a la fuerza centrífuga. En un marco de referencia en caída libre, desaparece. En la relatividad general (GR), la gravedad es solo el resultado de la geometría (diferencial): la curvatura del espacio-tiempo. La ley del cuadrado inverso es solo una aproximación de baja energía, pero la ecuación real de la gravedad derivada de GR es más compleja que eso. El éxito masivo de la gravedad newtoniana nos dice que cualquier modelo de gravedad debe aproximarse mediante la clásica ley del cuadrado inverso a bajas energías.

Si GR hace eso por diseño (de Einstein) o por otra cosa es una cuestión de opinión personal. Einstein definitivamente sabía que tenía que obtener aproximadamente la gravedad newtoniana a bajas energías, por lo que habría descartado o modificado cualquier idea que fallara en este criterio. Sin embargo, existen argumentos estándar de por qué la gravedad debe obedecer una ley del cuadrado inverso, al menos en situaciones de baja energía.

Ahora, en GR, mucho más que la masa contribuye al campo gravitacional. Giro y carga eléctrica, por ejemplo, y lo que es más importante: energía (el famoso $ E = mc ^ 2 $ nos dice cómo expresar una masa como energía, para que podamos tratar estas cosas en una base común). Entonces, sí, todas las fuerzas y partículas contribuyen a la gravedad. Incluso fotones.

GR en sí no hace predicciones (o requisitos) de la existencia de nuevas partículas fuera del modelo estándar, como los gravitones. La GR y la mecánica cuántica (QM) son notoriamente incompatibles: en situaciones extremas en las que tanto GR como QM son relevantes (estrellas de neutrones y formación de agujeros negros, por ejemplo), dejan de tener sentido con bastante rapidez. Especialmente GR. Los "gravitones" y una variedad de variaciones son partículas hipotéticas que se proponen para resolver este problema mediante la creación de una teoría cuántica de la gravedad. La única "evidencia" que tenemos para ellos en esta etapa es que nuestras dos teorías más exitosas sobre el funcionamiento del universo, GR y QM, son dolorosamente incompatibles. Entonces, sabemos que estas teorías son defectuosas (también conocidas como incorrectas) y que se necesita alguna otra teoría que pueda manejar estas situaciones, al tiempo que incorpora todos los éxitos de QM y GR; son increíblemente precisas cuando solo una de ellas es particularmente relevante. después de todo.

Exactamente lo que esa teoría es es un área de investigación sustancial y en curso.


Primero, el hecho de que la gravedad descienda $ 1 / r ^ 2 $ es visible en la métrica.

La métrica describe la curvatura del espacio. Para el espacio alrededor de un objeto masivo, esta es la métrica de Schwarzchild.

$$ mathrm {d} s ^ 2 = - left (1- frac {r_s} {r} right) mathrm {d} t ^ 2 + left (1- frac {r_s} {r} right) ^ {- 1} mathrm {d} r ^ 2 + r ^ 2 ( mathrm {d} theta ^ 2 + sin ^ 2 theta mathrm {d} phi ^ 2) $$

Claramente, si $ r gg r_s $ esto parece

$$ mathrm {d} s ^ 2 = - mathrm {d} t ^ 2 + mathrm {d} r ^ 2 + r ^ 2 ( mathrm {d} theta ^ 2 + sin ^ 2 theta mathrm {d} phi ^ 2) $$ que es la métrica del espacio plano. Entonces, efectivamente, el espacio se vuelve más y más plano a una tasa de $ 1 / r ^ 2 $, que es el cuadrado inverso que está buscando.

Pero, ¿de dónde viene la métrica de Schwarzchild? Sin entrar en las matemáticas arenosas, se puede demostrar que es la métrica única que posee simetría esférica, sin la cual nada tendría mucho sentido. Esto se llama teorema de Birkhoff.

La pequeña idea tardía sobre tu pregunta requiere un poco más de reflexión.

Quiero hablar sobre el origen de los gravitones, pero primero hablemos de la curvatura.

Si desea medir la curvatura de un espacio, una forma de hacerlo es moverse en un circuito cerrado, terminando de nuevo donde comenzó. Sin embargo, si el espacio es curvo, no estará mirando en la misma dirección (esta idea se llama transporte paralelo)

Digamos que estamos transportando en paralelo un vector tangente, como en la imagen. Obtenemos un vector tangente de la derivada en un punto (una derivada ligeramente especial llamada derivada covariante, porque el espacio es curvo). Tomemos el vector tangente y avancemos y luego a la izquierda. E intentamos de nuevo esta vez moviéndonos hacia la izquierda y luego hacia adelante. Terminamos en el mismo punto en ambos sentidos, pero como en la imagen, las derivadas serán diferentes de alguna manera. Resumimos esto con un conmutador (donde $ D $ es la derivada covariante) así

$$ [D_ mu, D_ nu] = D_ mu D_ nu - D_ nu D_ mu neq 0 $$ Básicamente significa "hacerlo de una manera no es lo mismo que hacerlo de la otra".

Ahora retrocedamos un poco y hablemos sobre cómo se discute típicamente el electromagnetismo y otras fuerzas, utilizando la teoría cuántica de campos.

Describimos la teoría en términos de un lagrangiano, para un fermión (como un electrón) se ve así

$$ mathcal {L} = bar psi (i gamma ^ mu D_ mu-m) psi $$

Si tomo el campo $ psi $ y le doy una transformación $$ psi a psi '= e ^ {i xi (x)} psi $$, entonces el Lagrangiano permanecerá sin cambios. Este tipo de transformación pertenece a un grupo llamado $ U (1) $. Decimos que el lagrangiano posee $ U (1) $ simetría. ¿Observa que este $ D_ mu $ está ahí de nuevo? Es lo mismo, una derivada covariante, aquí también en QED. Podemos intentar tomar un conmutador de nuevo.

$$ [D_ mu, D_ nu] = -iF _ { mu nu} psi $$ donde $$ F _ { mu nu} = parcial_ mu A_ nu - parcial_ nu A_ mu $$

A partir de esto, formamos la QED completa (la teoría cuántica de la electrodinámica) Lagrangiana $$ mathcal {L} = bar psi (i gamma ^ mu D_ mu-m) psi- frac {1} {4 } F _ { mu nu} F ^ { mu nu} $$

No se empantane en las matemáticas. El punto es muy simple. ¿Ves el $ A_ mu $? Es un campo nuevo, tuvimos que introducirlo para que las cosas funcionen. En QED, este campo corresponde a un fotón (las partículas son cuantos de un campo, como una pequeña protuberancia en el campo). Tuvimos que presentarlo porque teníamos curvatura. ¿Cómo sé que tenemos curvatura? Porque las derivadas covariantes no conmutan, al igual que en GR, arriba. Esta vez, sin embargo, la curvatura no es del espacio físico, es de un objeto abstracto llamado paquete de calibre $ U (1) $.

Así que estás totalmente en el camino correcto cuando dices que otras fuerzas pueden curvar el espacio. Es agradable que la gravedad curva el espacio-tiempo, es muy físico y fácil de imaginar, porque las otras fuerzas no son tan simples de imaginar, aunque fundamentalmente es lo mismo.

De todos modos, de vuelta a GR

Si desea obtener una imagen completa de la gravedad de Einstein, haga algunos cálculos matemáticos y llegue a algo llamado la acción de Einstein-Hilbert (una acción es solo una integral sobre una lagrangiana), un objeto ordenado que resume toda la teoría

$$ S = int R sqrt {g} mathrm {d} ^ 4x $$ donde $ R $ proviene (más o menos) del conmutador de derivadas covariantes que vimos en la parte superior. Cuando hablo de QED, pasé por alto el hecho de que es una teoría cuántica (lo es). Esta acción EH, sin embargo, no describe una teoría cuántica. Entonces, podría decir, ¡hagámoslo uno! Sin embargo, espere un segundo, porque en realidad no funciona. El problema es algo que se llama renormalización: QED es renormalizable, GR no. Esta es la raíz de la incompatibilidad entre GR y la teoría cuántica de campos. Si pudiéramos realizar la partícula qunatum resultante sería un gravitón. Tienes razón en dudar de su existencia, ya que aún no se han observado, sin embargo ...

Dos versiones de lo mismo

Vimos QED, que describe partículas de luz, fotones. Están cuantificados. Luego vimos cómo, en muchos sentidos, GR y QED son muy similares. No podemos cuantificar correctamente GR, pero si pudiéramos tendríamos gravitones, exactamente como los fotones aparecieron en QED. La dualidad entre QED (y otras teorías de gauge, QCD, etc.) es clara, lo que lleva a muchas personas a creer que probablemente deberían tener gravitones, incluso si aún no se han observado, ni se han formulado de manera consistente.

Una nota sobre otras teorías

Hay muchas teorías donde los gravitones están presentes desde los primeros principios sin los problemas de renormalización, teoría de cuerdas o supergravedad, por ejemplo.

Una nota sobre errores en lo anterior

Lo siento, estoy cansado y divagando. ¡Indíquelos si los encuentra!


Graviton

En las teorías de la gravedad cuántica, la graviton es el hipotético cuanto de gravedad, una partícula elemental que media la fuerza de la gravedad. No existe una teoría cuántica completa de campos de gravitones debido a un problema matemático sobresaliente con la renormalización en la relatividad general. En la teoría de cuerdas, que se cree que es una teoría consistente de la gravedad cuántica, el gravitón es un estado sin masa de una cuerda fundamental.

Graviton
ComposiciónPartícula elemental
EstadísticasEstadísticas de Bose-Einstein
InteraccionesGravitación
EstadoHipotético
SímboloG [1]
AntipartículaUno mismo
Teorizado1930 [2]
El nombre se atribuye a Dmitrii Blokhintsev y F. M. Gal'perin en 1934 [3]
Masa0
& lt 6 × 10 −32 eV /C 2 [4]
Vida mediaEstable
Carga eléctrica0 mi
Girar2

Si existe, se espera que el gravitón no tenga masa porque la fuerza gravitacional es de muy largo alcance y parece propagarse a la velocidad de la luz. El gravitón debe ser un bosón de espín 2 porque la fuente de gravitación es el tensor de tensión-energía, un tensor de segundo orden (en comparación con el fotón de espín 1 del electromagnetismo, cuya fuente es la corriente de cuatro, un tensor de primer orden ). Además, se puede demostrar que cualquier campo de espín 2 sin masa daría lugar a una fuerza indistinguible de la gravitación, porque un campo de espín 2 sin masa se acoplaría al tensor de tensión-energía de la misma manera que lo hacen las interacciones gravitacionales. Este resultado sugiere que, si se descubre una partícula de espín-2 sin masa, debe ser el gravitón. [5]


¿Existe realmente el Graviton?

En la física moderna, la materia del universo está formada por cuantos o "partículas" como electrones, protones y neutrones. Se puede decir que estas partículas interactúan a través de varias fuerzas o campos (fuertes, débiles, electromagnéticos, gravitacionales) para los que existen "cuantos de campo" correspondientes, como fotones y gluones. Estos cuantos se ven a menudo como las partículas que componen estos campos, y aunque las cosas son un poco más complicadas, es la idea básica correcta. Tenemos mucha evidencia experimental para estos cuantos, pero hay una que se menciona a menudo para la cual no tenemos evidencia experimental. Ese es el gravitón.

Una de las formas básicas en la teoría cuántica de campos es comenzar con una forma de onda y luego "cuantificarla" usando el formalismo matemático. De esta forma se puede mostrar, por ejemplo, cómo surgen los fotones del campo electromagnético. Lo mismo se puede hacer con el campo gravitacional. Comience con ondas gravitacionales y luego cuantícelas para derivar gravitones. Pero existen algunos problemas con este enfoque. En la teoría cuántica de campos, todos los campos actúan dentro de un fondo plano de espacio y tiempo (lo que llamamos espacio de Minkowski). Las ondas gravitacionales distorsionan el espacio y el tiempo, por lo que para derivar gravitones a menudo se asume que las ondas gravitacionales son una fluctuación dentro de un fondo del espacio de Minkowski. De esta manera, puede tratar la gravedad como un campo dentro de un espacio plano para cuantificarlo.

Por supuesto, la relatividad general muestra que no es así como funciona la gravedad. La gravedad es un producto de la curvatura del espacio-tiempo, por lo que para cuantificar la gravedad es necesario cuantificar el propio espacio-tiempo. Cómo se podría hacer eso es uno de los grandes problemas sin resolver de la física. Entonces es posible que los gravitones no existan. Pero generalmente se piensa que sí, ya que la mayoría de los físicos piensan que, al final, la teoría cuántica estará en el centro de todo. Los principales enfoques actuales de la gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, predicen la existencia de gravitones con las mismas propiedades que vemos en el enfoque simple de "onda cuantificada".

Incluso si los gravitones existen, es probable que nunca podamos detectarlos. Como demostró un artículo reciente, los gravitones interactuarían tan débilmente con las masas que se necesitaría algo como un detector de masas de Júpiter que orbita alrededor de una estrella de neutrones. Incluso entonces, se necesitaría más de una década para detectar un solo gravitón. Incluso entonces, el ruido de cosas como los neutrinos eliminaría su señal. Si no existe una forma práctica de detectar gravitones, ¿tiene sentido hablar de ellos como un modelo científico?


¿Existe algún dato experimental que respalde la existencia de gravitones? Si lo hay, ¿qué tan rápido viajan estas ondas / partículas? ¿Son similares a los fotones?

Los gravitones son de hecho muy similares en concepto a los fotones. Ambos representan el campo cuantificado de una fuerza fundamental: los fotones el campo electromagnético y los gravitones el campo gravitacional. Ambas son fuerzas con rango infinito, por lo tanto, ambas involucran partículas sin masa que viajan a la velocidad de la luz. Las ecuaciones de campo que gobiernan la propagación e interacción de estas partículas son diferentes, por supuesto, pero las propiedades básicas que acabo de describir son las mismas.

Dado que estos son objetos cuánticos regidos por la teoría cuántica de campos, no tienen "acción a distancia". Esto es por diseño. La teoría cuántica de campos es lo que se llama teoría local: todas las interacciones tienen lugar en un punto particular del espacio-tiempo. Esto se puede representar mediante diagramas de espacio-tiempo que se ven (tranquilizadoramente) como partículas que rebotan entre sí (los llamados 'diagramas de Feynman'). Esto no es un accidente: los gravitones y los fotones están construidos para mediar fuerzas. Viajan de una de las partículas que interactúan a la otra, llevando información sobre las perturbaciones del campo electromagnético o gravitacional a la velocidad de la luz. En última instancia, toda acción en este formalismo es local (y por lo tanto menos preocupante filosóficamente). En resumen, la descripción cuántica de las fuerzas fundamentales está diseñada para acabar con la acción a distancia.

Por supuesto, sabemos que la gravedad existe, por lo que si cree que la gravedad se describe mediante una teoría cuántica de campos, hemos 'detectado' gravitones. Pero eso no es demasiado satisfactorio. Podemos "probar" la existencia de fotones cuantificados mediante muchos experimentos diferentes, como el efecto fotoeléctrico. Desafortunadamente, todos estos experimentos de detección de 'gravedad cuántica' no han tenido éxito porque la gravedad es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética. ¡Por lo tanto, detectar un solo gravitón es un verdadero desafío!

PD A algunas personas les gusta decir que la acción a distancia perdura en el fenómeno del colapso de las funciones de onda. Este tipo de proceso mecánico cuántico no se puede describir mediante una teoría cuántica de campos (los efectos son instantáneos, supuestamente), por lo que no puede ser local en el sentido que describí anteriormente. Puede leer más sobre esto en una pregunta anterior de PhysLink: sobre el concepto de no localidad.
Respondido por: Brent Nelson, M.A. Physics, Ph.D. Estudiante, UC Berkeley

'Nuestras lealtades son para las especies y el planeta. Hablamos por la Tierra. Nuestra obligación de sobrevivir se debe no solo a nosotros mismos, sino también a ese Cosmos, antiguo y vasto, del que procedemos.


Física de partículas y cosmología: el tejido del espacio-tiempo

6 Resumen y perspectivas

Resumamos las conclusiones.

Los intentos existentes de dar masa al gravitón de forma invariante de Lorentz adolecen de graves problemas, de los cuales el acoplamiento fuerte es el más inofensivo. No está claro por el momento si uno puede lidiar con el acoplamiento fuerte de manera eficiente y construir un modelo invariante de Lorentz fenomenológicamente viable de gravitón masivo.

La ruptura de la invariancia de Lorentz introduce suficiente libertad para sortear estos problemas. Es decir, se llega a una variedad de modelos que a nivel lineal se pueden parametrizar mediante 5 parámetros de masa de gravitón. Algunas regiones en el espacio de estos parámetros conducen a una teoría efectiva de baja energía consistente con gravitones masivos.

Una clase particular de modelos, los que poseen la simetría residual (4.3), tiene una serie de características atractivas. Las dos polarizaciones transversales sin trazas del gravitón son los únicos grados de libertad de propagación en estos modelos. La evolución cosmológica tiene un punto atractor que posee una simetría de dilatación adicional (5.20). En este punto, las dos contribuciones de los campos de Goldstone al tensor de energía-momento tienen la forma de la constante cosmológica y de la materia con la ecuación de estado que depende de los parámetros del modelo. Las masas de gravitones alcanzan constantes finitas durante la expansión del Universo.

En los modelos que poseen simetrías (4.3) y (5.20), la masa no nula del gravitón coexiste con el potencial newtoniano no modificado, posibilidad que se debe a la violación de la invariancia de Lorentz. Esto permite masas relativamente grandes del gravitón. metro2 ≲ (10 14 cm) −1 para ser fenomenológicamente aceptable. Los gravitones masivos se pueden producir en cantidad suficiente en el Universo Temprano y son un nuevo candidato para la materia oscura.

Los gravitones masivos reliquia producen una señal monocromática fácilmente identificable en los detectores de ondas gravitacionales. Entre ellos, LISA tiene un gran potencial para probar la presencia de ondas gravitacionales masivas y descartar al gravitón como candidato a materia oscura.

Al mismo tiempo, quedan muchas cuestiones abiertas que requieren más estudio. Éstos son algunos de ellos ml:

Las observaciones cosmológicas modernas son cada vez más precisas. Para estar de acuerdo con estas observaciones, cualquier teoría alternativa de la gravedad tiene que abordar con éxito varios problemas, uno de los cuales es la formación de la estructura. La primera etapa de este proceso, el crecimiento lineal de perturbaciones, es fácil de estudiar en el modelo de gravedad masiva.

Al resolver las perturbaciones lineales en la sec. 5 hemos visto que aparece una constante de integración ψ0(x yo ). Hemos establecido esta constante en cero ya que estábamos interesados ​​en los campos gravitacionales de los cuerpos masivos que no están relacionados con esta constante. En el contexto cosmológico, esta constante también está presente. Es de suponer que se determina dinámicamente y se lleva a cero en la etapa inflacionaria, pero esto queda por demostrar.

Un caso especial interesante γ = 1/3 merece atención desde otra perspectiva. En este caso ambas contribuciones ρ1 y ρ2 tener la ecuación de estado de vacío w = −1. Como resultado, la tasa de aceleración de la fase tardía de De Sitter es una cantidad dinámica, determinada por las condiciones iniciales en el sector Goldstone y no por los parámetros de la acción. Esto es similar a la situación en la gravedad unimodular [52] donde la constante cosmológica es también una constante de integración. Por tanto, los modelos de gravedad masiva pueden arrojar luz sobre el problema cosmológico.

Vale la pena estudiar con más detalle las teorías que no poseen la simetría de dilatación (5.20). En estos modelos, el potencial gravitacional se modifica a grandes distancias de la fuente. En principio, es posible que estos modelos puedan proporcionar una explicación de las curvas de rotación planas galácticas alternativas a la materia oscura.

Finalmente, teniendo la acción no lineal completa, se pueden estudiar las soluciones no lineales del modelo, en particular, los agujeros negros. Estos últimos son de particular interés en vista del progreso esperado en sus observaciones experimentales [53].


Teoría de cuerdas y la caza de gravitones

La teoría de Kaluza-Klein planteó la hipótesis de que la gravedad solo puede parecer débil desde donde existimos porque en realidad tiene la capacidad de atravesar más de tres dimensiones a la vez y, por lo tanto, se dispersa finamente. Esta idea, después de décadas de ser ampliamente ignorada debido a inconsistencias matemáticas, cuando fue revisada y refinada finalmente condujo a lo que ahora se conoce como teoría de cuerdas, actualmente el contendiente más prometedor para establecer una teoría cuántica de la gravedad. También es nuestra mejor esperanza para unificar la teoría cuántica y la relatividad general, el mayor problema de la física actual.

En la teoría de cuerdas, los cálculos matemáticos apuntan a un universo con diez dimensiones de espacio y una dimensión de tiempo, pero las otras dimensiones espaciales son demasiado pequeñas para que las veamos, incluso con microscopios. Varios equipos de físicos están hoy a la caza del gravitón pero, hasta ahora, todas las esperanzas de atrapar la partícula hipotética nos han dejado con las manos vacías.

Hay muchas cosas sobre la física cuántica que no comprendemos y la comprensión de las partículas y las leyes que las gobiernan pueden ayudarnos a ejercer los poderes que hipotéticamente poseen los fenómenos cuánticos. Probar la existencia de una partícula que ayudaría a darle sentido a todo es un sueño, y lo sigue siendo a partir de ahora.

Tal como está, estamos lejos de probar definitivamente que existe. Como escribió el físico senior del Fermilab, Don Lincoln, en una publicación: “Los gravitones son una idea teóricamente respetable, pero no están probadas. Entonces, si escuchas a alguien decir que "los gravitones son partículas que generan la fuerza gravitacional", ten en cuenta que esta es una afirmación razonable, pero de ninguna manera es universalmente aceptada. Pasará mucho tiempo antes de que los gravitones se consideren parte del panteón subatómico establecido ".


Los astrónomos confirman la existencia de ondas magnéticas en el sol y la fotosfera # 8217

Por primera vez, los astrónomos han observado ondas de energía magnética, conocidas como ondas de Alfvén, en la fotosfera del sol. Este descubrimiento puede ayudar a explicar por qué la corona solar es mucho más caliente que la superficie.

El sol está hecho de plasma y, como cualquier plasma, debe soportar las ondas de Alfvén. Estas son ondas en un plasma donde los iones se mueven en respuesta a la tensión de un campo magnético. Primero predicho hace más de 50 años, los astrónomos hasta ahora no habían podido verlos en el sol. Pero las observaciones recientes del sol & # 8217s fotosfera & # 8211 la capa más baja de su atmósfera y la región que libera la luz que podemos ver & # 8211 finalmente las han encontrado.

Los campos magnéticos del sol pueden agruparse, formando estructuras largas llamadas tubos de flujo. Estos tubos de flujo pueden impulsar la formación de ondas Alfvén. Un equipo de investigadores, dirigido por el Dr. Marco Stangalini en la Agencia Espacial Italiana (ASI, Italia) con científicos de otros siete institutos de investigación y universidades, incluidos Queen Mary y el Dr. David Tsiklauri y Ph.D. estudiante Callum Boocock, utilizó la Agencia Espacial Europea & # 8217s IBIS para monitorear cuidadosamente el sol & # 8217s fotosfera.

A pesar de afirmaciones anteriores, nunca antes se habían encontrado ondas de Alfvén de manera concluyente en el sol.

Los investigadores validaron sus observaciones con la ayuda de simulaciones magnetohidrodinámicas (MHD), que son simulaciones por computadora de la compleja física del plasma que opera en la superficie del sol.

Callum Boocock, un Ph.D. estudiante de Queen Mary & # 8217s School of Physics and Astronomy, dijo: & # 8220 Las observaciones de las ondas torsionales de Alfven hechas por Marco y su equipo fueron notablemente similares al comportamiento observado en nuestras simulaciones MHD, lo que demuestra la importancia de estas simulaciones para descubrir y explicar mecanismos de generación de ondas. & # 8221

El hallazgo proporciona un paso crucial para comprender por qué la atmósfera solar exterior, la corona, tiene una temperatura un millón de grados más caliente que la superficie. Algo mucho está transportando energía desde la fotosfera a la corona, y estas ondas de Alfvén pueden ser las culpables.


Inequívoco

El anuncio del jueves fue la primera detección inequívoca de ondas gravitacionales. La esperanza es que la astronomía de ondas de gravedad pueda comenzar a responder preguntas no solo sobre la vida de las estrellas, sino también sobre sus muertes: muerte por colisión, muerte en un agujero negro, muerte en alguna rara catástrofe estelar tan feroz que, por unas pocas milésimas de un segundo, la explosión es la cosa más brillante del universo.

Incluso antes de que los detectores Ligo en dos estados de EE. UU. Reabrieran sus operaciones a fines del año pasado, los investigadores confiaban en que la detección se produciría rápidamente. El anuncio se produjo después de meses de especulación y décadas de trabajo teórico y práctico de una red internacional de más de mil científicos e ingenieros en Gran Bretaña, Europa, Estados Unidos y todo el mundo.

El profesor Kip Thorne, del Instituto de Tecnología de California, y uno de los padres fundadores de Ligo, dijo que hasta ahora, los astrónomos habían mirado el universo como si estuviera en un mar en calma. Todo eso había cambiado.

“Los agujeros negros en colisión que produjeron estas ondas gravitacionales crearon una violenta tormenta en el tejido del espacio y el tiempo, una tormenta en la que el tiempo se aceleró, desaceleró y aceleró nuevamente, una tormenta en la que la forma del espacio se doblaba en este manera y de esa manera ”, dijo.

El profesor Neil Turok, director del Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo en Canadá, y ex colega de investigación del profesor Stephen Hawking, calificó el descubrimiento como "el verdadero negocio, uno de esos momentos de gran avance en la ciencia".

Ligo co-founder Rainer Weiss, left, and Kip Thorne, right, hug on stage during a news conference at the National Press Club in Washington. Photograph: Andrew Harnik/AP

Not only had the detector picked up the collision of two enormous black holes across a distance of almost a billion light years of space, it recorded the distinctive “chirp” as the two spiralled towards each other.

The discovery, he said, completes a scientific arc of wonder that began 200 years ago, when the great British scientist Michael Faraday began to puzzle about how action was transmitted across the distance of space how the sun pulled the Earth around. If the sun moved 10 yards, very suddenly, would the Earth feel the difference?

He reasoned that something must cross space to transmit the force of gravity. Faraday’s reasoning inspired the great British mathematician James Clerk Maxwell to think about how an electric force travelled, and arrive at an understanding of light and a prediction of radio waves.

“Einstein, when he came to write down his theory of gravity, his two heroes were Faraday and Maxwell,” said Turok. “He tried to write down laws of the gravitational field and he wasn’t in the least surprised to discover that his predictions had waves, gravitational waves.”

The Ligo discovery signals a new era in astronomy, he said.

“Just think of radio waves, when radio waves were discovered we learned to communicate with them. Mobile communication is entirely reliant on radio waves. For astronomy, radio observations have probably told us more than anything else about the structure of the universe. Now we have gravitational waves we are going to have a whole new picture of the universe, of the stuff that doesn’t emit light – dark matter, black holes,” he said.

“For me the most exciting thing is we will literally be able to see the big bang. Using electromagnetic waves we cannot see further back than 400,000 years after the big bang. The early universe was opaque to light. It is not opaque to gravitational waves. It is completely transparent.

“So literally, by gathering gravitational waves we will be able to see exactly what happened at the initial singularity. The most weird and wonderful prediction of Einstein’s theory was that everything came out of a single event: the big bang singularity. And we will be able to see what happened.”

The headline to this article was amended on 12 February 2016. An earlier version said the discovery was a breakthrough after two centuries of expectation. This has been corrected.


B-modes the “smoking gun”

In an interview with the Science Media Centre, Professor Richard Easther, HOD of physics at the University of Auckland, said, "The word is that the BICEP team has discovered B-modes, specific patterns in the polarisation of the microwave background. B-modes are the "smoking gun" of inflation, and their strength is tied to the energy density of the universe during inflation - if the rumours hold up, we could soon know that inflation did happen a trillion, trillion, trillionth of a second after the Big Bang, and at energies a trillion times beyond the reach of the Large Hadron Collider.

"There would still be several steps to nailing it down - not all B-mode signals must come from inflation, and not all inflationary models must produce detectable B-modes. And there's one more thing: the B-mode is sourced by gravitational waves - ripples in the fabric of space - generated during inflation.

"Gravitational waves are a key prediction of Einstein's General Relativity and their existence is still not conclusively confirmed. Even so, gravitational waves are getting second billing to what we will learn about the early universe: we will know that inflation is a compelling answer to cosmology's initial-conditions problems, and humankind will have looked directly into the cosmic dawn.”

After painstakingly checking and rechecking their measurements, the US team made the results public on 17 March 2014 at a press conference at the Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics .

The discovery, if confirmed by other teams of astronomers, is widely-tipped to be worthy of a Nobel Prize. At the very least, being able to observe the signature of gravitational waves from the Big Bang will open a new chapter in astronomy, cosmology and physics.