En las teorías de la gravedad cuántica , el gravitón es el hipotético cuanto de gravedad , una partícula elemental que media la fuerza de interacción gravitacional. No existe una teoría cuántica completa de campos de gravitones debido a un problema matemático pendiente con la renormalización en la relatividad general . En la teoría de cuerdas , que algunos creen que es una teoría consistente de la gravedad cuántica, el gravitón es un estado sin masa de una cuerda fundamental.
Si existe, se espera que el gravitón no tenga masa porque la fuerza gravitacional tiene un alcance muy largo 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 bosón de primer orden). tensor de 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 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]
Se plantea la hipótesis de que las interacciones gravitacionales están mediadas por una partícula elemental aún no descubierta, denominada gravitón . Las otras tres fuerzas conocidas de la naturaleza están mediadas por partículas elementales: el electromagnetismo del fotón , la interacción fuerte de los gluones y la interacción débil de los bosones W y Z. Estas tres fuerzas parecen estar descritas con precisión en el modelo estándar de física de partículas. En el límite clásico , una teoría exitosa de los gravitones se reduciría a la relatividad general , que a su vez se reduce a la ley de gravitación de Newton en el límite del campo débil. [6] [7] [8]
El término gravitón fue acuñado originalmente en 1934 por los físicos soviéticos Dmitrii Blokhintsev y FM Gal'perin. [3] Paul Dirac reintrodujo el término en varias conferencias en 1959, señalando que la energía del campo gravitacional debería venir en cuantos, a los que Dirac se refirió como "gravitones", en una terminología de reintroducción. [9] [10] Pierre-Simon Laplace anticipó una mediación de la interacción gravitacional por partículas . [11] Al igual que la anticipación de los fotones por parte de Newton , los "gravitones" anticipados por Laplace tenían una velocidad mayor que c (la velocidad de la luz), la velocidad de los gravitones esperada en las teorías modernas, y no estaban relacionados con la mecánica cuántica o la relatividad especial , ya que estos Las teorías aún no existían durante la vida de Laplace.
Al describir las interacciones de gravitones, la teoría clásica de los diagramas de Feynman y las correcciones semiclásicas, como los diagramas de un bucle, se comportan normalmente. Sin embargo, los diagramas de Feynman con al menos dos bucles conducen a divergencias ultravioleta . [12] Estos resultados infinitos no se pueden eliminar porque la relatividad general cuantificada no es renormalizable perturbativamente , a diferencia de la electrodinámica cuántica y modelos como la teoría de Yang-Mills . Por tanto, se encuentran respuestas incalculables a partir del método de perturbación mediante el cual los físicos calculan la probabilidad de que una partícula emita o absorba gravitones, y la teoría pierde veracidad predictiva. Esos problemas y el marco de aproximación complementario son motivos para demostrar que se requiere una teoría más unificada que la relatividad general cuantificada para describir el comportamiento cerca de la escala de Planck .
Al igual que los portadores de fuerza de las otras fuerzas (ver fotón , gluón , bosones W y Z ), el gravitón desempeña un papel en la relatividad general , en la definición del espacio-tiempo en el que tienen lugar los acontecimientos. En algunas descripciones, la energía modifica la "forma" del espacio-tiempo mismo, y la gravedad es el resultado de esta forma, una idea que a primera vista puede parecer difícil de igualar con la idea de una fuerza que actúa entre partículas. [13] Debido a que la invariancia del difeomorfismo de la teoría no permite señalar ningún fondo espacio-temporal particular como el "verdadero" fondo espacio-temporal, se dice que la relatividad general es independiente del fondo . Por el contrario, el modelo estándar no es independiente del fondo, y el espacio de Minkowski disfruta de un estatus especial como espacio-tiempo de fondo fijo. [14] Se necesita una teoría de la gravedad cuántica para conciliar estas diferencias. [15] Si esta teoría debería ser independiente del contexto es una cuestión abierta. La respuesta a esta pregunta determinará la comprensión del papel específico que juega la gravitación en el destino del universo. [dieciséis]
La teoría de cuerdas predice la existencia de gravitones y sus interacciones bien definidas . Un gravitón en la teoría de cuerdas perturbativas es una cuerda cerrada en un estado vibratorio de baja energía muy particular. La dispersión de gravitones en la teoría de cuerdas también se puede calcular a partir de las funciones de correlación en la teoría de campos conforme , según lo dictado por la correspondencia AdS/CFT , o desde la teoría de matrices . [ cita necesaria ]
Una característica de los gravitones en la teoría de cuerdas es que, como cuerdas cerradas sin puntos finales, no estarían ligados a branas y podrían moverse libremente entre ellas. Si vivimos en una brana (como lo plantean las teorías de las branas ), esta "fuga" de gravitones de la brana al espacio de dimensiones superiores podría explicar por qué la gravitación es una fuerza tan débil, y los gravitones de otras branas adyacentes a la nuestra podrían proporcionar una posible explicación para la materia oscura . Sin embargo, si los gravitones se movieran con total libertad entre branas, esto diluiría demasiado la gravedad, provocando una violación de la ley del cuadrado inverso de Newton. Para combatir esto, Lisa Randall descubrió que una tribrana (como la nuestra) tendría una atracción gravitacional propia, evitando que los gravitones se desplacen libremente, lo que posiblemente daría como resultado la gravedad diluida que observamos, mientras se mantenía aproximadamente la ley del cuadrado inverso de Newton. [17] Véase cosmología de branas .
Una teoría de Ahmed Farag Ali y Saurya Das añade correcciones de la mecánica cuántica (utilizando trayectorias de Bohm) a las geodésicas relativistas generales. Si a los gravitones se les da una masa pequeña pero distinta de cero, se podría explicar la constante cosmológica sin necesidad de energía oscura y resolver el problema de la pequeñez . [18] La teoría recibió una Mención de Honor en el Concurso de Ensayos de 2014 de la Gravity Research Foundation por explicar la pequeñez de la constante cosmológica. [19] Además, la teoría recibió una Mención de Honor en el Concurso de Ensayos de 2015 de la Gravity Research Foundation por explicar de forma natural la homogeneidad e isotropía del universo observadas a gran escala debido a las correcciones cuánticas propuestas. [20]
Matthew R. Edwards sugiere que el medio gravitoóptico está compuesto de gravitones y, a su vez, puede conectarse con el enfoque del vacío polarizable . [21]
Si bien se supone que los gravitones no tienen masa , aún transportarían energía , como lo hace cualquier otra partícula cuántica. La energía de los fotones y la energía de los gluones también son transportadas por partículas sin masa. No está claro qué variables podrían determinar la energía del gravitón, la cantidad de energía transportada por un solo gravitón.
Alternativamente, si los gravitones son masivos , el análisis de las ondas gravitacionales arrojó un nuevo límite superior para la masa de los gravitones. La longitud de onda Compton del gravitón es al menos1,6 × 10 16 m , o aproximadamente 1,6 años luz , correspondiente a una masa de gravitón de no más de7,7 × 10 −23 eV / c 2 . [22] Esta relación entre longitud de onda y masa-energía se calcula con la relación de Planck-Einstein , la misma fórmula que relaciona la longitud de onda electromagnética con la energía de los fotones .
La detección inequívoca de gravitones individuales, aunque no está prohibida por ninguna ley fundamental, es imposible con cualquier detector físicamente razonable. [23] La razón es la sección transversal extremadamente pequeña de la interacción de los gravitones con la materia. Por ejemplo, se esperaría que un detector con la masa de Júpiter y una eficiencia del 100%, colocado en órbita cercana alrededor de una estrella de neutrones , sólo observara un gravitón cada 10 años, incluso en las condiciones más favorables. Sería imposible distinguir estos fenómenos del fondo de neutrinos , ya que las dimensiones del escudo de neutrinos necesario garantizarían el colapso en un agujero negro . [23]
Las observaciones de las colaboraciones de LIGO y Virgo han detectado directamente ondas gravitacionales. [24] [25] [26] Otros han postulado que la dispersión de gravitones produce ondas gravitacionales a medida que las interacciones de partículas producen estados coherentes . [27] Aunque estos experimentos no pueden detectar gravitones individuales, podrían proporcionar información sobre ciertas propiedades del gravitón. [28] Por ejemplo, si se observara que las ondas gravitacionales se propagan más lentamente que c (la velocidad de la luz en el vacío), eso implicaría que el gravitón tiene masa (sin embargo, las ondas gravitacionales deben propagarse más lentamente que c en una región con valores distintos de cero). densidad de masa para que sean detectables). [29] Observaciones recientes de ondas gravitacionales han puesto un límite superior de1,2 × 10 −22 eV/ c 2 sobre la masa del gravitón. [24] Las observaciones astronómicas de la cinemática de las galaxias, especialmente el problema de la rotación de las galaxias y la dinámica newtoniana modificada , podrían apuntar a que los gravitones tienen masa distinta de cero. [30] [31]
La mayoría de las teorías que contienen gravitones sufren graves problemas. Los intentos de ampliar el modelo estándar u otras teorías cuánticas de campos añadiendo gravitones tropiezan con serias dificultades teóricas en energías cercanas o superiores a la escala de Planck . Esto se debe a que los infinitos surgen debido a efectos cuánticos; Técnicamente, la gravitación no es renormalizable . Dado que la relatividad general clásica y la mecánica cuántica parecen ser incompatibles con tales energías, desde un punto de vista teórico esta situación no es sostenible. Una posible solución es sustituir las partículas por cuerdas . Las teorías de cuerdas son teorías cuánticas de la gravedad en el sentido de que se reducen a la relatividad general clásica más la teoría de campos a bajas energías, pero son completamente mecánicas cuánticas, contienen un gravitón y se cree que son matemáticamente consistentes. [32]
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