Gravità quantistica a loop: differenze tra le versioni
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La '''gravità quantistica a loop''' ('''LQG''', dal termine inglese ''
Fa parte di una famiglia di teorie chiamata ''gravità canonica quantistica'' ed stata sviluppata in parallelo con la [[quantizzazione a loop]], una struttura rigorosa della quantizzazione non perturbativa della [[teoria di gauge]] a [[diffeomorfismo]] invariante. In parole più semplici è una teoria quantistica della gravità nella quale lo spazio reale in cui accadono i fenomeni fisici (o [[Evento (fisica)|eventi]]) è [[Quantizzazione|quantizzato]] (vedi anche più avanti al secondo paragrafo).▼
{{vedi anche|Gravità quantistica}}▼
La [[teoria quantistica dei campi]] applicata in uno spazio-tempo curvo (
Essa conserva gli aspetti fondamentali della relatività generale, come ad esempio l'invarianza per trasformazioni di coordinate, e allo stesso tempo utilizza la quantizzazione dello spazio e del tempo alla [[scala di Planck]], caratteristica della meccanica quantistica; in questo senso combina le due teorie. Tuttavia non è una ipotetica [[teoria del tutto]], in quanto non affronta il problema di dare una descrizione unificata di tutte le [[forze fondamentali]], ma descrive unicamente le proprietà quantistiche dello spaziotempo, e quindi della gravità.▼
Vi sono state
I critici della LQG fanno spesso riferimento al fatto che non predice l'esistenza di ulteriori dimensioni dello spazio tempo, né la [[supersimmetria]]. La risposta dei suoi fautori è che allo stato attuale, nonostante ripetute ricerche sperimentali, non vi è alcuna evidenza di altre dimensioni né di particelle supersimmetriche, che devono essere considerate solo ipotesi speculative.▼
I maggiori successi della gravità quantistica a loop sono:▼
Nel 1986 il fisico [[
# è una quantizzazione non perturbativa della geometria a 3 dimensioni, con operatori quantizzati di area e di volume;▼
# include il calcolo dell'[[Entropia (termodinamica)|entropia]] dei [[buchi neri]];▼
# è basata su un formalismo matematico rigoroso.▼
La teoria ammette anche una formulazione covariante, chiamata a "[[schiuma di spin]]" (spinfoam).▼
Dal momento che la formulazione di Ashtekar era indipendente dal background, è stato possibile utilizzare i loop di Wilson come base per la quantizzazione non perturbativa della gravità. L'invarianza del [[diffeomorfismo]] esplicito (spaziale) dello [[Vuoto (fisica)|stato di vuoto]] gioca un ruolo essenziale nella regolarizzazione degli stati del loop di Wilson.
▲== L'incompatibilità tra meccanica quantistica e relatività generale ==
▲{{vedi anche|Gravità quantistica}}
Intorno al 1990 [[Carlo Rovelli]] e [[Lee Smolin]] hanno ottenuto una base esplicita degli stati della geometria quantistica che è stata denominata
▲La teoria quantistica dei campi applicata in uno spazio-tempo curvo (quindi non [[Spazio-tempo di Minkowski|minkowskiano]]) ha dimostrato che alcuni dei suoi assunti fondamentali non possono essere riportati. In particolare, il vuoto, quando esiste, appare dipendere dalla traiettoria dell'osservatore attraverso lo spazio-tempo (''[[effetto Unruh]]'').
Divenendo strettamente correlata alla teoria quantistica topologica dei campi e alla teoria della rappresentazione di gruppo, la LQG è per la maggior parte costruita
▲Vi sono state, in passato, due reazioni all'apparente contraddizione tra la teoria dei quanti e l'indipendenza dal background della relatività generale. La prima è che l'interpretazione geometrica della relatività generale non è fondamentale ma ''"risultante"''. La seconda è che l'indipendenza dal background è fondamentale e la meccanica quantistica necessita di essere generalizzata per definire dove non vi è un tempo stabilito a priori.
== Princìpi fondamentali ==
▲
▲Essa conserva gli aspetti fondamentali della relatività generale, come ad esempio l'invarianza per trasformazioni di coordinate, e allo stesso tempo utilizza la quantizzazione dello spazio e del tempo alla [[scala di Planck]], caratteristica della meccanica quantistica; in questo senso combina le due teorie
▲Nelle teorie della [[relatività ristretta]] e della [[Relatività generale|gravitazione]], la geometria di riferimento è '''continua''': ragionando in una sola dimensione (anziché in 3), dati due punti distinti A e B, sicuramente esiste un punto A' intermedio tra A e B; e a sua volta, esiste un punto A<nowiki>''</nowiki> intermedio tra A e A', e un punto intermedio A<nowiki>''' tra A e A''</nowiki> e così via all'infinito. Nella LQG, invece, la geometria di riferimento è '''quantizzata''': andando a fare la stessa operazione di suddivisione tra A e B, tra A e A', tra A e A<nowiki>''</nowiki> si arriverà alla situazione di avere due punti A e A^ tra i quali non è presente nessun altro punto. Tornando alle tre dimensioni spaziali, ciò significa che partendo da un volume e suddividendolo in volumetti sempre più piccoli, c'è un valore minimo di volume che non si può suddividere in volumetti più piccoli<ref>[http://www.einstein-online.info/elementary/quantum/loops Loop quantum gravity — Einstein Online<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref>.
▲I critici della LQG fanno spesso riferimento al fatto che non predice l'esistenza di ulteriori dimensioni dello spazio tempo, né la [[supersimmetria]]. La risposta dei suoi
▲I maggiori successi della gravità quantistica a loop sono:
▲# è una quantizzazione non perturbativa della geometria a 3 dimensioni, con operatori quantizzati di area e di volume;
▲# include il calcolo dell'[[Entropia (termodinamica)|entropia]] dei [[buchi neri]];
▲# è basata su un formalismo matematico rigoroso.
▲== Storia della LQG ==
▲Nel 1986 il fisico [[India|indiano]] [[Abhay Ashtekar]] ha riformulato le equazioni di campo della relatività generale di [[Albert Einstein|Einstein]] usando ciò che oggi è conosciuto col nome di '''[[variabili di Ashtekar]]''', una variante particolare della teoria di Einstein-Cartan con una connessione complessa. Nella formulazione di Ashtekar i campi fondamentali sono una regola per il trasporto parallelo (tecnicamente, una connessione) ed una struttura di coordinate (dette un ''vierbein'') ad ogni punto. Dal momento che la formulazione di Ashtekar era indipendente dal background, è stato possibile utilizzare i '''loop di Wilson''' come base per la quantizzazione non perturbativa della gravità. L'invarianza del [[diffeomorfismo]] esplicito (spaziale) dello [[Vuoto (fisica)|stato di vuoto]] gioca un ruolo essenziale nella regolarizzazione degli stati del loop di Wilson.
▲Intorno al 1990 [[Carlo Rovelli]] e [[Lee Smolin]] hanno ottenuto una base esplicita degli stati della geometria quantistica che è stata denominata "rete di spin". In questo contesto le reti di spin si sono presentate come una generalizzazione dei loop di Wilson necessarie per trattare i loop che si intersecano reciprocamente. Dal punto di vista matematico le reti di spin sono correlate alla teoria del gruppo di rappresentazione e possono essere usate per costruire invarianti di nodi come il polinomiale di Jones.
▲Divenendo strettamente correlata alla teoria quantistica topologica dei campi e alla teoria della rappresentazione di gruppo, la LQG è per la maggior parte costruita ad un livello rigoroso di fisica matematica.
== I costituenti della LQG ==
=== Quantizzazione a loop ===
Il cuore della gravità quantistica a loop è rappresentato da una struttura per la quantizzazione non perturbativa delle teorie di gauge a diffeomorfismo invariante che può essere chiamata quantizzazione a loop. Originalmente sviluppata
La quantizzazione a loop
Le tecniche di quantizzazione a loop sono particolarmente utili nel trattare le teorie topologiche quantistiche di campo dove esse danno corpo a modelli ''state-sum/spin-foam'' come il modello Turaev-Viro della relatività generale a 2+1 dimensioni. Una delle più conosciute teorie è la cosiddetta teoria BF in 3+1 dimensioni perché la relatività generale classica può essere formulata come una teoria BF con costrizione, e si spera che una quantizzazione significativa della gravità possa derivare dalla teoria perturbativa dei modelli BF a schiuma di spin.
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=== Invarianza per diffeomorfismi e indipendenza dal background ===
In termini semplicistici e trascurando per un attimo l'[[Invarianza di gauge|invarianza per trasformazioni di gauge]], l
==
Nessuna teoria della gravità quantistica ([[teoria delle stringhe|stringhe]], loops o
▲Nessuna teoria della gravità quantistica ([[teoria delle stringhe|stringhe]], loops o altro) ha ancora prodotto una predizione univoca che possa essere sottoposta a verifica sperimentale, e quindi tutte queste teorie devono essere considerate ipotetiche. Una speranza circa un supporto sperimentale per diverse teorie di gravità quantistica è venuta dalla possibilità di osservazioni astrofisiche di violazione dell'[[invarianza di Lorentz]]. Ma è noto da tempo che la gravità quantistica a loop non porta necessariamente alla violazione dell'invarianza di Lorentz (vedi per esempio Rovelli e Speziale 2003<ref>[[Carlo Rovelli]], Simone Speziale, [http://arxiv.org/abs/gr-qc/0205108 ''Reconcile Planck-scale discreteness and the Lorentz-Fitzgerald contraction''], ''[[Physical Review]]'' D 67, 064019 (2003) {{DOI|10.1103/PhysRevD.67.064019}}</ref>), e quindi osservazioni sulla eventuale rottura o meno dell'invarianza di Lorentz, come per esempio quelle del [[Fermi Gamma-ray Space Telescope]], non possono essere considerate argomenti a favore o a sfavore della teoria.
La critica più forte si rivolge al fatto che non esiste ancora una teoria efficace della LQG e quindi non è possibile verificare se essa riproduca veramente la relatività generale a basse energie. Dunque, non è nemmeno chiaro se riesca a riprodurre tutti i fenomeni già descritti dalla teoria di Einstein. Recentemente, tuttavia, è stato possibile derivare dalla teoria la fenomenologia delle [[onde gravitazionali]]<ref>{{collegamento interrotto|[
▲=== Critiche provenienti dai fautori della Teoria delle stringhe ===
▲La LQG è criticata dai fautori della [[teoria delle stringhe]] per molti motivi.
È stato anche osservato che il metodo di quantizzazione è tale che i modi veramente quantizzati portano a una teoria topologica e dunque lontana dalla realtà, ma si tratta di un equivoco. La teoria può essere costruita modificando modelli topologici, ma non è una teoria topologica.
▲La critica più forte si rivolge al fatto che non esiste ancora una teoria efficace della LQG e quindi non è possibile verificare se essa riproduca veramente la relatività generale a basse energie. Dunque, non è nemmeno chiaro se riesca a riprodurre tutti i fenomeni già descritti dalla teoria di Einstein. Recentemente, tuttavia, è stato possibile derivare dalla teoria la fenomenologia delle [[onde gravitazionali]]<ref>{{collegamento interrotto|[http://arxiv.org/abs/gr-qc/09054082]}}</ref> e la cosmologia standard<ref>{{collegamento interrotto|[http://arxiv.org/abs/gr-qc/10033483]}}</ref>. Le indicazioni secondo cui il limite classico della teoria sarebbe la relatività generale sono dunque forti.
La LQG risolve i problemi di divergenza ultravioletta delle [[
▲È stato anche osservato che il metodo di quantizzazione è tale che i modi veramente quantizzati portano a una teoria topologica e dunque lontana dalla realtà, ma si tratta di un equivoco. La teoria può essere costruita modificando modelli topologici, ma non è una teoria topologica.
Una critica alla teoria, comune tra i fautori della teoria della stringhe, è che la versione della teoria della gravità quantistica a loop basata
▲La LQG risolve i problemi di divergenza ultravioletta delle [[gravità semiclassica|teorie semiclassiche]] standard. Non ci sono termini divergenti all'ultravioletto negli operatori di volume e nel vincolo Hamiltoniano. Tuttavia, nella teoria esistono divergenze infrarosse, e non è ancora chiaro come trattarle.
▲Una critica alla teoria, comune tra i fautori della teoria della stringhe, è che la versione della teoria della gravità quantistica a loop basata sugli spin foam può violare l'unitarietà. È vero che la teoria viola l'unitarietà, nel senso che non esiste nella teoria un gruppo a un parametro di trasformazioni unitarie che danno l'evoluzione temporale, né una matrice S unitaria. L'assenza di queste strutture stupisce e lascia sconcertato chi viene dal mondo delle stringhe, perché abituato a pensare alla fisica in termini di spazio tempo piatto. Ma l'assenza di queste strutture è implicata dalla relatività generale, nella quale, in generale, non esiste uno spazio piatto asintotico o una simmetria per traslazione nel tempo. L'unitarietà, nel senso di consistenza dell'interpretazione probabilistica della teoria, è ovviamente rispettata dalla gravità quantistica a loop.
== Note ==
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== Bibliografia ==
* [[Jim Baggott]], ''Quanti di spazi''o, Adelphi Edizioni, 2022
* [[Carlo Rovelli]], ''La realtà non è come ci appare'', Raffaello Cortina Editore, 2014
▲; Libri divulgativi:
* [[Martin Bojowald]], ''Prima del Big Bang: Storia completa dell'universo'', Giunti 2011
* [[Lee Smolin]], ''Three Roads to Quantum Gravity''▼
* Lee Smolin, ''L'Universo senza stringhe. Fortuna di una teoria e turbamenti della scienza'', [[Giulio Einaudi Editore|Einaudi]], 2007
▲* [[Lee Smolin]], ''Three Roads to Quantum Gravity''
; Libri introduttivi universitari
* Lee Smolin, "Atoms in Space and Time," [[Scientific American]], gennaio 2004▼
* [[Carlo Rovelli]] e Francesca Vidotto, ''Covariant Loop Quantum Gravity'', Cambridge university Press, 2014; [http://www.cpt.univ-mrs.fr/~rovelli/IntroductionLQG.pdf draft scaricabile] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20171118095934/http://www.cpt.univ-mrs.fr/~rovelli/IntroductionLQG.pdf |date=18 novembre 2017 }}
; Lavori introduttivi ed espositivi più semplici:▼
* Rodolfo Gambini and Jorge Pullin, ''
* [[Carlo Rovelli]], ''Quantum Gravity'', Cambridge University Press (2004); [http://www.cpt.univ-mrs.fr/~rovelli/book.pdf bozza online] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110514004841/http://www.cpt.univ-mrs.fr/~rovelli/book.pdf |date=14 maggio 2011 }}▼
* Rodolfo Gambini and Jorge Pullin, ''Loops, Knots, Gauge Theories and Quantum Gravity'', Cambridge University Press (1996)
* [[John C. Baez]] and Javier Perez de Muniain, ''Gauge Fields, Knots and Quantum Gravity'', World Scientific (1994)
* [[Carlo Rovelli]], ''[http://arxiv.org/abs/hep-th/0310077 A Dialog on Quantum Gravity]'', e-print scaricabile▼
; Ulteriori approfondimenti:▼
* Abhay Ashtekar, ''Lectures on Non-Perturbative Canonical Gravity'', World Scientific (1991)
▲; Lavori introduttivi ed espositivi più semplici:
▲* [[Lee Smolin]], "Atoms in Space and Time," [[Scientific American]], gennaio 2004
▲* Rodolfo Gambini and Jorge Pullin, ''Loops, Knots, Gauge Theories and Quantum Gravity'', Cambridge University Press (1996)
*
▲* [[Carlo Rovelli]], ''[
▲* [[Carlo Rovelli]], ''Quantum Gravity'', Cambridge University Press (2004); [http://www.cpt.univ-mrs.fr/~rovelli/book.pdf bozza online]
▲; Ulteriori approfondimenti:
* Carlo Rovelli, ''[http://www.livingreviews.org/lrr-1998-1 Loop Quantum Gravity]'', articolo on line, versione del 15 agosto 2001.
;Voci di enciclopedia
* Thomas Thiemann, ''[
* Thomas Thiemann, ''[
; Conferenze:
* [[John C. Baez]] (a cura di), ''Knots and Quantum Gravity''
Line 108 ⟶ 102:
* Abhay Ashtekar, ''New Hamiltonian formulation of general relativity'', Phys. Rev. '''D36''', 1587-1602, 1987
* [[Roger Penrose]], ''Angular momentum: an approach to combinatorial space-time'' in ''Quantum Theory and Beyond'', ed. Ted Bastin, Cambridge University Press, 1971
* Alejandro Perez, ''[
* [[Carlo Rovelli]] e [[Lee Smolin]], ''Loop space representation of quantum general relativity'', Nuclear Physics '''B331''' (1990) 80-152
*
* [[Carlo Rovelli]], [http://www.treccani.it/enciclopedia/gravita-quantistica_%28XXI-Secolo%29/ Gravità quantistica], ''Enciclopedia del XXI Secolo'' (2010), [[Istituto dell'Enciclopedia italiana Treccani]]
* Claudio Censori, [http://www.treccani.it/enciclopedia/gravita-quantistica_%28Lessico-del-XXI-Secolo%29/ Gravità quantistica], ''Lessico del XXI Secolo'' (2012), [[Istituto dell'Enciclopedia italiana Treccani]]
* {{SEP|quantum-gravity|Quantum Gravity|Steven Weinstein e Dean Rickles}}
* {{SEP|qm-relational|Relational Quantum Mechanics|Federico Laudisa e [[Carlo Rovelli]]}}
== Altri progetti ==
{{interprogetto}}
== Collegamenti esterni ==
* {{en}} Quantum Gravity, Physics, and Philosophy: http://www.qgravity.org/
* {{en}} Resources for LQG and spin foams: http://jdc.math.uwo.ca/spin-foams/
* {{en}} [[Gamma ray large area space telescope]]: http://glast.gsfc.nasa.gov/ {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20080618221025/http://glast.gsfc.nasa.gov/ |date=18 giugno 2008 }}
* {{
{{Portale|
[[Categoria:Gravità quantistica a loop| ]]
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