Könnte Schwerkraft eine emergente Eigenschaft der Natur sein?

Trotz allem, was ich in meiner anderen Antwort geschrieben habe, gibt es einen sehr interessanten Versuch von Xiao-Gang Wen, ausgehend von Quantengittermodellen ohne Schwerkraft und nur Wechselwirkungen mit den nächsten Nachbarn aufstrebende Gravitationsmodelle zu entwickeln. Seine Arbeit ist unter gr-qc/0606100 und arXiv:0907.1203 zu finden . Er konnte zeigen, dass Quasiteilchen ohne Energielücke und mit einer Helizität von$\pm 2$ohne Helicität auftreten kann$\pm 1$oder$0$Quasiteilchen. Ob dieses Modell jedoch als Gravitationsmodell angesehen werden kann, ist eine andere Frage.

Ich bin kein Experte für Schwerkraft, aber das ist es, was ich weiß.

Es gibt eine Hypothese, dass die Schwerkraft eine entropische Eigenschaft ist . Das Papier von Verlinde ist bei arXiv erhältlich. Das heißt, ich wäre überrascht, wenn dies wahr wäre. Der Grund ist einfach. Wie Sie wahrscheinlich wissen, ist Entropie eine emergente Eigenschaft aus statistischer Wahrscheinlichkeit. Wenn Sie nicht interagierende, adimensionale Teilchen in einer Hälfte einer Box haben, während die andere Hälfte leer und durch ein Ventil getrennt ist, ist es die Wahrscheinlichkeit, also die Entropie, die die Transformation antreibt. Wenn man es aus energetischer Sicht betrachtet, ist die Energie vor und nach der Umwandlung genau gleich. Dies funktioniert gut für die statistische Verteilung, aber wenn Sie erklären müssen, warum sich die Dinge statistisch anziehen, ist es viel schwieriger. Aus probabilistischer Sicht wäre es umgekehrt: Je mehr Freiheitsgrade Ihre Teilchen haben, desto mehr Entropie haben sie. Ein Klumpen hat weniger Freiheitsgrade und daher weniger Entropie, was bedeutet, dass In einem geschlossenen System ist die Existenz der Schwerkraft verblüffend. Das entzieht sich meiner Spekulation, und ich glaube, ich liege falsch. Es scheint ein Vergnügen zu sein, die Zeitung zu lesen, aber ich hatte noch keine Gelegenheit, sie durchzulesen.

Vielleicht möchten Sie das Weinberg-Witten-Theorem nachschlagen, das zeigt, dass dies unter bestimmten Annahmen nicht möglich ist. Wenn das ursprüngliche Modell, aus dem die Quantengravitation hervorgehen soll, eine gewöhnliche kovariante Poincaré-Quantenfeldtheorie über einem flachen nichtdynamischen Minkowski-Raum ist, haben sie gezeigt, dass dies für masselose Helizität nicht möglich ist$\pm 2$Partikel entstehen. Da eine Theorie der Quantengravitation Gravitonen enthalten sollte, scheint dies solche Modelle auszuschließen. Natürlich sind diese Annahmen fragwürdig. Beispielsweise ist die Theorie, aus der die Schwerkraft hervorgeht, möglicherweise keine Quantenfeldtheorie. Dies ist der Fall für die Superstringtheorie.

Eine andere Möglichkeit könnte sein, dass das "fundamentale" Modell nicht Lorentz-kovariant ist. Wir brauchen jedoch immer noch die Niedrigenergie-Effektivtheorie, um ungefähr Lorentz-kovariant zu sein. In typischen analogen Modellen für kondensierte Materie koppeln verschiedene Quasiteilchen an verschiedene Metriken, und es gibt keine Universalität für die Gravitationskopplungen oder die Lichtgeschwindigkeit. Wenn nicht alle Quasiteilchen zusammen auftauchen, sehe ich keinen Weg, dieses Problem zu umgehen.

Es könnte ein bisschen schwierig sein, den Satz über positive Energie in einer entstehenden Gravitationstheorie zu finden. Das Positive-Energie-Theorem besagt, dass die ADM-Energie einer asymptotisch flachen Raumzeit immer nichtnegativ sein muss. In einer aufkommenden Theorie könnte die ADM-Energie für einige Zustände genauso gut negativ sein. Um dies zu sehen, beachten Sie zunächst, dass die ADM-Energie lokal als Grenze definiert werden kann, wenn wir in die räumliche Unendlichkeit eines lokal definierten Integrals über eine umschließende räumliche Oberfläche mit einer räumlichen und einer zeitlichen Kodimension gehen. Wenn wir davon ausgehen, dass die "fundamentale" Theorie lokal ist, bedeutet dies, dass der jetzt entstehende ADM-Fluss auch lokal in Bezug auf die fundamentaleren Felder definiert werden muss. Wenn die umschließende Grenze immer größer wird, kommt ihre äußere Krümmung immer näher an Null heran. Wenn wir einen positiven ADM-Fluss haben, der durch eine Ebene geht – wie in Bezug auf eine Wahl der Normalenvektororientierung definiert – wird uns eine Reflexion durch die Ebene einen anderen Zustand geben, in dem dieser ADM-Fluss jetzt negativ ist. Wir können uns also durchaus vorstellen, auf lokaler Patchwork-Basis eine Art ungefähre Reflexion über die umschließende Untermannigfaltigkeit durchzuführen, zumindest für die Regionen an oder um die umschließende Oberfläche. Wir müssen dann eine Interpolation des resultierenden Zustands weit ins Innere finden, was natürlich überhaupt nicht wie eine Reflexion aussehen könnte. Aber wenn die fundamentale Theorie auch die lokale Unabhängigkeit befriedigt, sollte das möglich sein. Aber das Endergebnis all dieser Konstruktionen ist ein Zustand mit negativer entstehender ADM-Energie. Ich weiß, dass dieses Argument sehr handgewellt und nicht streng ist, aber es klingt plausibel. Aber es könnte einige Schlupflöcher geben. Zum Beispiel könnte die grundlegende Theorie lokal sein, aber die entstehenden großräumigen Anregungen – und damit die entstehende Raumzeit – könnten in Bezug auf die zugrunde liegende Hintergrund-Raumzeit delokalisiert sein. Oder die zugrunde liegende fundamentale Theorie könnte von Natur aus nichtlokal sein.

Ist die Antwort auf die Frage nach dem Titel nicht weithin mit "Ja" geglaubt?

Wenn Sie glauben, dass die Suche nach dem, was Hochenergietheoretiker eine „Theorie von allem“ nennen, ein wertvolles und lohnendes Unterfangen ist, dann glauben Sie wahrscheinlich auch, dass die Schwerkraft, wie wir sie derzeit verstehen (etwa die Allgemeine Relativitätstheorie), aus einer tieferen Theorie „entsteht“ . (im Sinne der effektiven Feldtheorie) , die es mit allen anderen bekannten fundamentalen Kräften vereint .

Natürlich weiß noch niemand genau, was diese Theorie ist, aber mir wurde gesagt , dass bestimmte Varianten der Stringtheorie ab 2010 die brauchbarsten Kandidaten sind. In den ersten Sätzen dieses Artikels finden Sie einige Hinweise darauf, wie die Gravitation aus der Stringtheorie hervorgeht Antwort von Eric Zaslow .

Vielleicht kann Eric Zaslow oder ein anderer Experte mehr Details geben, zum Beispiel sagen, wie Einsteins Gleichungen aus der Stringtheorie entstehen (ich würde dies als Frage auf dieser Seite stellen, außer dass ich weiß, dass ich die Antwort auf jeder finden könnte Buch über Stringtheorie, wenn ich mich genug darum gekümmert habe, nachzusehen). Mir wurde gesagt, dass es etwas mit den Renormierungsgruppengleichungen der konformen Feldtheorie auf dem Weltblatt zu tun hat, aber ich fürchte, ich kann dieses Argument hier nicht weiter für Sie reproduzieren oder erklären.

Im Dezember fasste Carlo Rovelli die Forschungsagenda der letzten zwanzig Jahre einer Gruppe von Forschern in der Loop-Quantengravitationstheorie zusammen. Kurz gesagt, LQG argumentiert, dass die Schwerkraft eher eine Eigenschaft der Raumzeit als eine durch ein Boson vermittelte Quantenfeldtheorie ist und dass die Raumzeit im Grunde diskret ist, mit punktartigen Orten in der Raumzeit, die durch ein Netzwerk von Verbindungen verbunden sind gegenseitig. Bei diesem Ansatz, der durch drei Hauptgleichungen beschrieben wird, ist die Anzahl der Dimensionen in der Raumzeit selbst emergent, und weder die Lokalität noch die Anzahl der Dimensionen der Raumzeit sind gut definierte Konzepte auf der feinstkörnigen Ebene. Sie befinden sich am Punkt A und sind mit den Punkten B, C und D verbunden, die durch die Gleichungen verbunden sind, die bei endloser Wiederholung gut durch einen kontinuierlichen vierdimensionalen Raum angenähert werden, der die Eigenschaften von GR in klassischer Näherung erfüllen kann. Er fasst die Forschungsagenda zusammen:

„Es gibt erhebliche Indizienbeweise dafür, dass die große Entfernungsgrenze der Theorie korrekterweise die allgemeine Relativitätstheorie ist, aus der asymptotischen Analyse und aus großen Entfernungsberechnungen von n-Punkt-Funktionen und in der Spinfoam-Kosmologie; und es gibt offene Richtungen für Untersuchungen, um diese Beweise zu untermauern Freiheitsgrade sind korrekt und die Theorie ist im Allgemeinen kovariant: Die Niedrigenergiegrenze ist wahrscheinlich nicht viel anderes als die allgemeine Relativitätstheorie. Aber es gibt noch keinen soliden Beweis.

Die Frage ist ziemlich alt, aber in der Literatur sind inzwischen neue Ideen aufgetaucht.

Eine interessante Möglichkeit ist, dass Gravitation eine aufstrebende Eigenschaft einer grundlegenderen Quantentheorie ist. Insbesondere entstehen Raum und Zeit aus der Verschränkung von Quantenfeldern und die Gravitation kann aus Quanteninformationsbeschränkungen abgeleitet werden. Es ist ein sehr faszinierender Vorschlag, und es gibt viele Berechnungen, die diese Idee unterstützen.

Diese Theorien machen erheblichen Gebrauch von der AdS/CFT-Korrespondenz, die tatsächlich eine Dualität zwischen einer Gravitationstheorie und einer Quantentheorie ohne Schwerkraft ist.

Ein pädagogisches Nachschlagewerk