Kvantgravitation
Från Rilpedia
Kvantgravitation är ett forskningsfält inom teoretisk fysik som har som ett mål att lösa ett av de stora och angelägna problemen i fysiken: att formulera en kvantmekanisk beskrivning av gravitation. Kvantmekaniken är nödvändig för att beskriva fysik på mycket små avstånd och man har hittills lyckats beskriva tre av de fyra fundamentala naturkrafterna med användande av kvantfältteori: den elektromagnetiska kraften och de starka och svaga kärnkrafterna. Gravitation beskrivs däremot av en klassisk (icke-kvantmekanisk) teori – den allmänna relativitetsteorin. När man försöker formulera en kvantfältteori för gravitationen, dvs en kvantmekanisk version av teorin på samma sätt som man gjort för de andra krafterna, får man dock inte en fungerande teori. Notera att man då tar kvantmekaniken som utgångspunkt för att förändra gravitationsteorin och inte tvärtom.
Kvantgravitation behövs för att få en enhetlig beskrivning av naturens alla krafter, och speciellt i situationer med mycket stora massor och energier och därmed små rumsliga avstånd, till exempel svarta hål och universums uppkomst.
Innehåll |
Problemet med gravitation
Det grundläggande problemet är de grundläggande skillnaderna mellan hur dessa teorier fungerar och beskriver världen. I kvantfältteorin beskrivs partiklar som kvantiserade fält på en flat rumtid enligt den speciella relativitetsteorin och krafterna kommer sig av utbyte av kraftbärande partiklar (kvanta). I den allmänna relativitetsteorin beskrivs gravitationen inte som en kraft, utan som en effekt av att rummet är krökt; rummets krökning beror på existensen av massa och energi. Det mest uppenbara sättet att beskriva gravitationen kvantmekaniskt är att behandla gravitationen som ett kvantfält på samma sätt som de andra krafterna, men detta leder till ett allvarligt problem: När man beräknar effekterna av kvantfluktuationer i en kvantfältteori får man divergenta integraler. Detta löses genom så kallad renormering, där man definierar om värdena på teorins parametrar (laddningar och massor) på ett sånt sätt att divergenserna kan absorberas i dessa parametrar. Denna procedur är en av den moderna fysikens största framgångar, men problemet är att den inte fungerar när man försöker konstruera en kvantfältteori för gravitationen; gravitationen är icke-renormerbar. I korthet: man kan inte konstruera en konsistent kvantteori för gravitationen på samma sätt som för de andra krafterna.
Vägen till kvantgravitation
Vägen till kvantgravitation kan härledas till fysiken kring supraledare på 1950-talet. Mer exakt till BCS-teorin för supraledning.
En magnet omger sig med ett magnetfält som är kontinuerligt. Starkt nära magneten som sedan successivt avtar ju längre från magneten man kommer. Låter man däremot magnetfältet passera genom en supraledare skiktas fältet upp i diskreta fältlinjer. Man får s.k. kvantiserade magnetiska fältlinjer där varje fältlinje bär en viss mängd av fältet. Man kan vidare tänka sig ett elektriskt fält som också omger sig med kontinuerliga fältlinjer. I nuläget finns ej något känt material som kan bryta upp, kvantisera, dessa fältlinjer i diskreta enheter så som fallet är med supraledaren och de magnetiska fältlinjerna. Om man ändå utför ett tankeexperiment och använder en elektrisk supraledare så blir det inga problem utan kvantiserade elektriska fältlinjer uppstår.
Med hjälp av detta tankeexperiment lyckades man visa att protoner och neutroner är uppbyggda av mindre enheter, kvarkar. Precis som med de elektriska och magnetiska fälten förmedlas kraften mellan kvarkarna av ett fält med fältlinjer.
Till skillnad från elektronerna runt atomen, som lätt kan frigöras genom att en tillräcklig mängd energi tillförs, verkar kvarkarna inte kunna frigöra sig från protonerna eller neutronerna hur mycket energi man än tillför, vilket beror på de färgelektriska fältlinjerna. Fram till 1970-talet beskrev man kraften som band samman kvarkarna med hjälp av strängar, vilka ansågs vara grundläggande enheter. Men strängarna och kraften mellan kvarkarna ersattes av gluoner i teorin kvantkromodynamik, QCD. Strängteorin lades i träda fram till mitten på 1980-talet då den åter började användas. Ur QCD trädde också en annan väg till kvantgravitation fram, slingkvantgravitation. Nu anser en del fysiker att strängteori och kvantkromodynamik kan vara olika sätt att se på samma sak enligt dualitetshypotesen.
Modern forskning
Det finns flera alternativa sätt att nalkas problemet med kvantgravitation. Strängteori ses av de flesta fysiker som den mest lovande teorin och är det hetaste forskningsfältet för närvarande. Teorin går ut på att de minsta beståndsdelarna är strängar, vars vibrationer ger upphov till de partiklar och krafter vi observerar i naturen. Teorin leder till en variant av den allmänna relativitetsteorin i en viss gräns, men det finns ännu inga experimentella bevis för strängteorin. Loopkvantgravitation är en annan förespråkad väg där rumtiden uppkommer dynamiskt. Strängteorin har som ett mer ambitiöst mål att konstruera en enhetlig beskrivning av alla naturkrafter, medan loopkvantgravitationen har som främsta mål att kvantisera gravitationen.
Mycket av den moderna forskningen om kvantgravitation går ut på att försöka förstå olika aspekter av kvantiserad gravitation på en mer modest nivå än att försöka formulera en komplett teori. Man använder sig då av verktyg som kvantfältteori i krökt rumtid, effektiva fältteorier, supergravitation, holografi, diskretionsteknik och dualiteter. Man studerar problem som svarta håls termodynamik, Hawkingstrålning och svart-hål-informationsparadoxen, den så kallade AdS/CFT-korrespondensen och andra problem.
Föreslagna modeller och hypoteser
Förutom de ovannämnda strängteori/M-teori och loopkvantgravitation finns andra mer eller mindre välsedda seriösa förslag:
- Supergravitation
- Wheeler-DeWitts ekvation
- Euklidisk kvantgravitation
- Roger Penroses twistorteori
- Diskretiserad kvantgravitation
- Sacharov-inducerad gravitation
- Reggekalkyl
- Akustisk metrik och analoga gravitationsmodeller
- Processfysik
- Calogeros hypotes
- Icke-kommutativ geometri
- Kausala mängder
- Dynamisk triangulering
Litteratur
- Smolin, Lee. Tre vägar till kvantgravitation. Natur och Kultur (2003). ISBN 91-27-08997-5.
- Zwiebach, Barton. A First Course in String Theory. Cambridge University Press (2004). ISBN 0-521-83143-1. Denna bok är den enklaste läroboken i strängteori.
- Rovelli, Carlo. Quantum Gravity. Cambridge University Press (2004). ISBN 0-521-83733-2. Denna boks titel är något missvisande eftersom den bara behandlar loopkvantgravitation.
