Warum passt die Schwerkraft nicht in die Quantentheorie?

Bevor Sie lesen, möchte ich darauf hinweisen, dass ich wahrscheinlich nicht annähernd so viel über Quantentheorie weiß wie Sie, obwohl ich gerne etwas darüber lerne, daher würde ich Erklärungen in relativ einfachen Begriffen bevorzugen.

Ich las kürzlich einen Artikel über Quanten- und Stringtheorie, in dem Folgendes stand:

Acht Jahrzehnte sind vergangen, seit Physiker erkannt haben, dass die Theorien der Quantenmechanik und der Gravitation nicht zusammenpassen , und das Rätsel, wie man die beiden kombinieren kann, bleibt ungelöst.

Warum passt die Schwerkraft nicht in die Quantenmechanik? Was würde es von den anderen Kräften unterscheiden?

Mögliche Duplikate: physical.stackexchange.com/q/387/2451 und Links darin.
Die kurze Antwort lautet: Es ist sehr technisch, und ich kenne keine einfache, intuitive Erklärung.
Der Hauptgrund, warum die Schwerkraft nicht unter die anderen Kräfte passt, ist, dass sie keine Kraft ist, nicht einmal auf dem klassischen Bild. Die Gravitation bewirkt eine Beschleunigung und ist für Körper im freien Fall aufgrund des Äquivalenzprinzips nicht einmal bis zur ersten Ordnung wahrnehmbar. Die Folgen davon sind tiefgreifend. Zum einen ist Gravitation im Gegensatz zum Elektromagnetismus keine lineare Theorie. Die Wirkung von Ladungen summiert sich nicht einfach wie bei den anderen Kräften.
Meinst du wirklich QM und Schwerkraft oder QM und Relativitätstheorie?
Nebenantwort , es gibt ein Skalierungsproblem. Auf ihrer Skala (einige Mikrometer bis zum Universum) zeigt die Schwerkraft eine Komplexität, die mit den 3 Kräften in ihren eigenen Skalen nicht erscheint. Die Schwerkraft könnte quantisiert werden, aber wahrscheinlich muss sich etwas mit den 3 Kräften entwickeln, selbst wenn die Theorie in ihren üblichen Anwendungsskalen mächtig ist.
CuriousOne: Wollen Sie andeuten, dass es Einsteins Schuld ist, weil er derjenige ist, der die Kraft losgeworden ist und sie durch Raumkrümmung ersetzt hat :). Wie etwas, das selbst keine Kraft ist, mit anderen Kräften vereint werden kann. Nun, ich würde die Schwerkraft immer noch als Kraft betrachten. Das Krümmen kann Teil des Mechanismus sein, wie die Kraft wirkt.
@kpv: Die Schwerkraft war eine Beschleunigung, sogar zu Newtons Zeiten. Schon Galileo bemerkte das starke Äquivalenzprinzip und wenn man sich die Newtonsche Mechanik anschaut, sagen wir eigentlich nirgends, dass träge Masse und schwere Masse unterschiedlich sein könnten. Wir schreiben die Schwerkraft als Kraft, damit unsere nicht so intelligenten Schüler nicht völlig verloren gehen, aber das ist so ziemlich der einzige vernünftige Grund, warum wir das tun. Die Phänomenologie selbst der schwachen Gravitation unterstützt ihre Charakterisierung als Kraft nicht.
CuriousOne: Ich meine, es gibt irgendwo eine Kraft. Es kann die Entität/Eigenschaft sein, die den Raum in Gegenwart von Masse/Energie krümmt. Ich bin nicht sachkundig genug, um Aktion/Beschleunigung/Krümmung usw. ohne einen Agenten zu erfassen. Wenn ich Kraft sage, meine ich jenes Agens in seiner grundlegendsten Form, dem keine weitere Ursache zugeordnet werden kann.
Man kann sich Gravitation entweder als Kraft (vermittelt durch den Austausch von Gravitonen) oder als rein geometrische Theorie vorstellen, genauso wie man sich Elektromagnetismus als Kraft (vermittelt durch Photonen) oder als geometrische Theorie vorstellen kann. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Theorien besteht darin, dass im Fall von EM der Raum, der „gekrümmt“ wird, eher ein interner Raum als der Raum ist, in dem wir leben. Dies gilt auch für viele Quantenfeldtheorien: Es gibt ein „Kraft“-Bild und ein duales geometrisches Bild.

Antworten (1)

Ich werde eine Antwort geben, die nicht vollständig ist, aber vielleicht einen Eindruck davon vermittelt, warum die Schwerkraft anders ist als die anderen Kräfte. Hinweis für Experten, dass ich weiß, dass ich in dieser Antwort zu stark vereinfache, aber das OP ausdrücklich um eine Antwort gebeten hat, die auf Einfachheit abzielt. Ich werde versuchen, auf einige der Vereinfachungen hinzuweisen, die ich am Ende vorgenommen habe.

Elektromagnetismus ist das klassische Beispiel für eine wohlerzogene Kraft, bei der wir wissen, wie man sie quantenmechanisch behandelt. Die Schwerkraft hingegen ist bekanntermaßen schlecht benommen.

Sie könnten Ihre Frage also anders stellen: Warum unterscheidet sich die Schwerkraft so stark von Elektromagetismus?

Ein Grund (und das ist keineswegs die ganze Geschichte) ist, dass der Elektromagnetismus im Gegensatz zur Schwerkraft dem Superpositionsprinzip gehorcht. Wenn ich zwei Punktladungen habe, um das elektrische Feld der beiden Ladungen zu berechnen, kann ich einfach die elektrischen Felder addieren , die jede Ladung einzeln erzeugt, um das elektrische Gesamtfeld der Kombination der beiden Punktladungen zu finden.

Schwerkraft ist nicht so. Wenn ich zwei Punktmassen (Schwarze Löcher) habe und das Gravitationsfeld von ihnen einzeln berechne, kann ich diese beiden Felder nicht einfach kombinieren, um das Gravitationsfeld der beiden Massen zusammen zu erzeugen. Der Hauptgrund ist, dass weil E = M C 2 , nicht nur Masse, sondern auch Energie gravitiert. Das Gravitationsfeld selbst trägt Energie. Die Masse eines Schwarzen Lochs erzeugt also ein Gravitationsfeld, aber dieses Feld hat Energie, die selbst mehr Gravitationsfeld erzeugt, und so weiter ... Wenn Sie zwei Punktmassen haben, gibt es Wechselwirkungsenergie, da sich die Massen gegenseitig anziehen, und diese Wechselwirkungsenergie selbst verändert das Gravitationsfeld. Es wird sehr schnell sehr kompliziert! Die grundlegende Tatsache, dass alle Formen von Energie und Impuls – einschließlich der vom Gravitationsfeld selbst getragenen Energie – gravitieren, macht die Schwerkraft an sich komplizierter als den Elektromagnetismus.

Um noch ein bisschen technischer zu werden: Aufgrund des Überlagerungsprinzips (und einiger anderer netter Eigenschaften wie der Poincaire-Invarianz) können Sie sich das elektromagnetische Feld als aus harmonischen Oszillatoren zusammengesetzt vorstellen (einen für jeden Fourier-Modus des Felds). Wir wissen, wie man harmonische Oszillatoren quantisiert! Für die Schwerkraft funktioniert diese Behandlung wegen des Versagens des Superpositionsprinzips nicht. Nun, wenn die Gravitationsfelder klein sind (das heißt, wenn die Krümmung klein ist, oder wenn Sie wirklich auf Entfernungen arbeiten, die klein sind im Vergleich zur charakteristischen Krümmungsskala), können Sie versuchen, das Gravitationsfeld als aus harmonischen Oszillatoren bestehend anzunähern. Und das ist ein konsequentes Verfahren, wenn die Gravitationsfelder schwach sind – dies wird Effektivfeldtheorie der Gravitation genannt –, obwohl es zum Zusammenbruch verurteilt ist, wenn die Gravitationsfelder zu stark werden (was in der Praxis bedeutet, dass die Krümmung groß ist). Das ist wirklich der Punkt, an dem viele der schwierigen Probleme mit der Quantengravitation ins Spiel kommen.

Wie ich schon sagte, vereinfache ich definitiv zu viel, zum Beispiel könnten sich Experten darüber beschweren, dass (1) ich den Ausdruck „Gravitationsfeld“ verwendet habe, (2) dass ich über die Energie des Gravitationsfelds gesprochen habe und (3) worüber Yang-Mills, die ein Beispiel für eine Theorie ist, die dem Superpositionsprinzip nicht gehorcht, aber die perturbativ renormierbar ist, und möglicherweise sogar (4) wissen wir wirklich, dass die effektive Feldtheorie der Gravitation beispielsweise in der Nähe von Horizonten schwarzer Löcher funktioniert (was ist mit das Firewall-Paradoxon und die Komplementarität)? Alle diese Einwände (und ich bin mir sicher, andere) sind vollkommen gültig (außer vielleicht für (1), aber ich möchte keinen Streit anfangen :)). Alles, was ich sagen möchte, ist, dass diese Antwort nur dazu gedacht ist, Ihnen einen groben intuitiven Eindruck von einigen der Schwierigkeiten zu geben, die vor sich gehen – es gibt noch viel, viel mehr in der Geschichte.

Abschließend möchte ich sagen, dass eine korrektere Antwort darin besteht, dass die Schwerkraft durch ein Spin-2-Feld vermittelt wird, während Elektromagnetismus durch ein Spin-1-Feld vermittelt wird. Die "Spin-2" -ness ist wirklich das, was die Schwerkraft aus Sicht der Teilchenphysik so sehr verändert.

Warum passt die Schwerkraft nicht in die Quantentheorie?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v