Aproximación a la gravedad cuántica utilizando el espacio-tiempo discreto
El programa de conjuntos causales es una aproximación a la gravedad cuántica . Sus principios fundamentales son que el espacio-tiempo es fundamentalmente discreto (una colección de puntos de espacio-tiempo discretos, llamados elementos del conjunto causal) y que los eventos del espacio-tiempo están relacionados por un orden parcial . Este orden parcial tiene el significado físico de las relaciones de causalidad entre eventos espacio-temporales.
Historia
Durante algunas décadas después de la formulación de la Relatividad General, la actitud hacia la geometría lorentziana se dedicó principalmente a comprender sus implicaciones físicas y no se preocupó por cuestiones teóricas. [1] Sin embargo, Weyl y Lorentz proporcionaron los primeros intentos de utilizar la causalidad como punto de partida. [2] Alfred Robb en dos libros de 1914 y 1936 sugirió un marco axiomático donde la precedencia causal desempeñaba un papel crítico. [1] La primera propuesta explícita de cuantificar la estructura causal del espacio-tiempo es atribuida por S. Surya [1] a Kronheimer y Penrose , [3] quienes inventaron los espacios causales para admitir estructuras que pueden ser muy diferentes de una variedad . Los espacios causales se definen axiomáticamente, considerando no sólo la precedencia causal, sino también la precedencia cronológica.
El programa de conjuntos causales se basa en un teorema [4] de David Malament , ampliando resultados anteriores de EC Zeeman [5] y Hawking , King, McCarthy. [6] [1] El teorema de Malament establece que si hay un mapa biyectivo entre dos espacios-tiempos pasados y futuros que distinguen y que preserva su estructura causal , entonces el mapa es un isomorfismo conforme . El factor conforme que queda indeterminado está relacionado con el volumen de regiones en el espacio-tiempo. Este factor de volumen se puede recuperar especificando un elemento de volumen para cada punto espacio-temporal. Luego se podría encontrar el volumen de una región del espacio-tiempo contando el número de puntos en esa región.
Los conjuntos causales fueron iniciados por Rafael Sorkin, quien sigue siendo el principal defensor del programa. Ha acuñado el lema "Orden + Número = Geometría" para caracterizar el argumento anterior. El programa proporciona una teoría en la que el espacio-tiempo es fundamentalmente discreto y al mismo tiempo conserva la invariancia local de Lorentz .
Aunque esta definición utiliza la convención reflexiva, podríamos haber elegido la convención irreflexiva en la que la relación de orden es irreflexiva y asimétrica .
La relación causal de una variedad de Lorentz (sin curvas causales cerradas ) satisface las tres primeras condiciones. Es la condición de finitud local la que introduce la discreción del espacio-tiempo.
Comparación con el continuo
Dado un conjunto causal, podemos preguntarnos si puede incluirse en una variedad de Lorentz . Una incrustación sería un mapa que toma elementos del conjunto causal en puntos de la variedad de modo que la relación de orden del conjunto causal coincida con el ordenamiento causal de la variedad. Sin embargo, se necesita otro criterio antes de que la incrustación sea adecuada. Si, en promedio, el número de elementos del conjunto causal mapeados en una región de la variedad es proporcional al volumen de la región, entonces se dice que la incrustación es fiel . En este caso podemos considerar que el conjunto causal es "tipo múltiple".
Una conjetura central del programa de conjuntos causales, llamada Hauptvermutung ('conjetura fundamental'), es que el mismo conjunto causal no puede integrarse fielmente en dos espacio-tiempos que no sean similares a gran escala.
Es difícil definir esta conjetura precisamente porque es difícil decidir cuándo dos espaciotiempos son "similares a gran escala". Modelar el espacio-tiempo como un conjunto causal requeriría que restringiéramos la atención a aquellos conjuntos causales que son "tipo múltiples". Dado un conjunto causal, ésta es una propiedad difícil de determinar.
Aspersión
La dificultad de determinar si un conjunto causal puede incluirse en una variedad puede abordarse desde la otra dirección. Podemos crear un conjunto causal esparciendo puntos en una variedad de Lorentz. Al esparcir puntos en proporción al volumen de las regiones del espacio-tiempo y utilizar las relaciones de orden causal en la variedad para inducir relaciones de orden entre los puntos esparcidos, podemos producir un conjunto causal que (por construcción) puede integrarse fielmente en la variedad.
Para mantener la invariancia de Lorentz, esta distribución de puntos debe realizarse aleatoriamente mediante un proceso de Poisson . Por tanto, la probabilidad de esparcir puntos en una región de volumen es
¿Dónde está la densidad de la aspersión?
Asperjar puntos como una red regular no mantendría el número de puntos proporcional al volumen de la región.
Geometría
Algunas construcciones geométricas en variedades se trasladan a conjuntos causales. Al definirlos debemos recordar que debemos confiar únicamente en el conjunto causal en sí, no en ningún espacio-tiempo de fondo en el que pueda estar incrustado. Para obtener una descripción general de estas construcciones, consulte. [7]
Geodésicas
Un vínculo en un conjunto causal es un par de elementos tales que pero sin tal que .
Una cadena es una secuencia de elementos tal que para . La longitud de una cadena es . Si todos los elementos de la cadena forman un eslabón, entonces la cadena se llama camino .
Podemos usar esto para definir la noción de una geodésica entre dos elementos de un conjunto causal, siempre que sean comparables en orden, es decir, causalmente conectados (físicamente, esto significa que son similares al tiempo). Una geodésica entre dos elementos es una cadena que consta únicamente de eslabones tales que
y
La longitud de la cadena, , es máxima en todas las cadenas desde hasta .
En general puede haber más de una geodésica entre dos elementos comparables.
Myrheim [8] sugirió por primera vez que la longitud de dicha geodésica debería ser directamente proporcional al tiempo adecuado a lo largo de una geodésica temporal que une los dos puntos del espacio-tiempo. Se han realizado pruebas de esta conjetura utilizando conjuntos causales generados a partir de aspersiones en espacios-tiempos planos. Se ha demostrado que la proporcionalidad se cumple y se conjetura que también se cumple para aspersiones en espacios-tiempos curvos.
Estimadores de dimensiones
Se ha trabajado mucho para estimar la dimensión múltiple de un conjunto causal. Se trata de algoritmos que utilizan el conjunto causal con el objetivo de dar la dimensión de la variedad en la que se puede incrustar fielmente. Los algoritmos desarrollados hasta ahora se basan en encontrar la dimensión de un espacio-tiempo de Minkowski en el que se pueda incrustar fielmente el conjunto causal.
Dimensión de Myrheim-Meyer
Este enfoque se basa en estimar el número de cadenas de longitud presentes en un espacio-tiempo de Minkowski de dimensiones reducidas. Contar el número de cadenas de longitud en el conjunto causal permite realizar una estimación.
Dimensión de escala de punto medio
Este enfoque se basa en la relación entre el tiempo propio entre dos puntos en el espacio-tiempo de Minkowski y el volumen del intervalo espacio-temporal entre ellos. Calculando la longitud máxima de la cadena (para estimar el tiempo adecuado) entre dos puntos y contando el número de elementos de modo que (para estimar el volumen del intervalo de espacio-tiempo) se pueda calcular la dimensión del espacio-tiempo.
Estos estimadores deberían dar la dimensión correcta para los conjuntos causales generados por aspersiones de alta densidad en el espaciotiempo bidimensional de Minkowski. Las pruebas en espacios-tiempo conformemente planos [9] han demostrado que estos dos métodos son precisos.
Dinámica
Una tarea en curso es desarrollar la dinámica correcta para los conjuntos causales. Estos proporcionarían un conjunto de reglas que determinan qué conjuntos causales corresponden a espacios-tiempos físicamente realistas . El enfoque más popular para desarrollar la dinámica de conjuntos causales se basa en la versión de suma de historias de la mecánica cuántica . Este enfoque realizaría una "suma sobre conjuntos causales" haciendo crecer un conjunto causal un elemento a la vez. Los elementos se agregarían de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica y la interferencia garantizaría que un gran espacio-tiempo similar a una variedad dominara las contribuciones. El mejor modelo de dinámica en este momento es un modelo clásico en el que los elementos se suman según las probabilidades. Este modelo, debido a David Rideout y Rafael Sorkin , se conoce como dinámica clásica de crecimiento secuencial (CSG). [10] El modelo clásico de crecimiento secuencial es una forma de generar conjuntos causales agregando nuevos elementos uno tras otro. Se especifican reglas sobre cómo se agregan nuevos elementos y, dependiendo de los parámetros del modelo, resultan diferentes conjuntos causales.
En analogía con la formulación de integral de trayectoria de la mecánica cuántica, un enfoque para desarrollar una dinámica cuántica para conjuntos causales ha sido aplicar un principio de acción en el enfoque de suma sobre conjuntos causales. Sorkin ha propuesto un análogo discreto para el d'alembertiano , que a su vez puede usarse para definir el escalar de curvatura de Ricci y, por tanto, la acción de Benincasa-Dowker sobre un conjunto causal. [11] [12] Las simulaciones de Montecarlo han proporcionado evidencia de una fase continua en 2D utilizando la acción Benincasa-Dowker. [13]
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Otras lecturas
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enlaces externos
El enfoque de conjuntos causales para la gravedad cuántica: un artículo de revisión de Joe Henson sobre conjuntos causales
El espacio-tiempo como conjunto causal: uno de los primeros artículos de Luca Bombelli, Joohan Lee, David Meyer y Rafael D. Sorkin
Geometría a partir del orden: conjuntos causales - artículo no técnico de Rafael D. Sorkin en Einstein Online