Pętli ciężkości kwantowej ( pętla grawitacji kwantowej w języku angielskim ) jest próbą formułowania, bez miejsca odniesienia, teoria kwantowej grawitacji , a tym samym ujednolicenie teorię ogólnym względność i pojęć mechaniki kwantowej . Opiera się na bezpośredniej kanonicznej kwantyfikacji ogólnej teorii względności w ujęciu hamiltonowskim , przy czym pozostałe trzy podstawowe interakcje nie są na początku brane pod uwagę. Trudność tego podejścia polega na tym, że czas odgrywa szczególną rolę i że ogólna kowariancja równań nie jest już widoczna.
Pierwszy Hamiltona sformułowanie ogólnej teorii względności została zaproponowana przez Arnowitt , deser i Misnera w 1962 roku, ale próba kanonicznej kwantyfikacji ich teorii przez Wheelera i DeWitt nie dostarczyły rozstrzygających wyników, równania uzyskane są zbyt trudne do rozwiązania..
To właśnie w 1988 roku nastąpił znaczny postęp, wraz z odkryciem nowych zmiennych kanonicznych przez Abhay Ashtekara . Zmienne te umożliwiły kanoniczną kwantyfikację.
Jednym z fundamentalnych wyników tej teorii jest to, że przestrzeń przedstawia strukturę dyskretną (w przeciwieństwie do kontinuum czasoprzestrzennego ogólnej teorii względności): obszary i objętości przestrzeni są skwantowane. Pojęcie przestrzeni zostaje w pewnym stopniu zastąpione pojęciem prymitywnych ziaren, rodzajów „ atomów ” przestrzeni, a dokładniej kwantów pola grawitacyjnego, połączonych ze sobą ogniwami charakteryzującymi się spinem (spin ogniwa), stąd nazwa spin network ( spin network ).
Wersja kowariantna wynikająca z badań nad dynamiką sieci spinowych została sformalizowana w 2008 roku. Prowadzi to do zdefiniowania rodziny amplitud przejścia, sprawdzonej w 2011 roku i wymaga istnienia dodatniej stałej kosmologicznej , co jest zgodne z obserwacją przyspieszenia ekspansji Wszechświata .
Teoria ta częściowo konkuruje z teorią superstrun .
Oto lista głównych fizyków pracujących nad tą teorią w 2012 roku:
Aby zbudować teorię kwantowej grawitacji jest pogodzenie pojęcie czasoprzestrzeni z ogólnej teorii względności z pojęć energii i materii z mechaniki kwantowej . Sprowadza się to do zintegrowania rewolucyjnych zasad i konsekwencji każdej z tych dwóch teorii oraz do połączenia ich w nowe podejście teoretyczne, które umożliwiłoby opisanie świata we wszystkich skalach.
W modelu fizyki klasycznej , opartej na siłach grawitacji wymodelowanej przez Isaaca Newtona , przestrzeń postrzegana jest jako scena, na której zachodzą zdarzenia fizyczne, podobnie jak pudełko, w którym zgodnie z ewolucją ewoluowałyby „cząstki stałe” lub „obiekty fizyczne”. do określonego i absolutnego czasu, bez względu na obserwatora.
Model fizyki klasycznej pozostaje niekompletny i jest dziełem Michaela Faradaya i James Clerk Maxwell , który w XIX th century, poprawi. Ci dwaj fizycy badali, jak zdefiniować siłę elektryczną, która łączy dwa obiekty o przeciwnych ładunkach. Faraday ujawnił pojęcie pola magnetycznego, a Maxwellowi udało się zjednoczyć siły magnetyczne i elektryczne za pomocą nowego „obiektu fizycznego”: pola elektromagnetycznego .
Pole to jest postrzegane przez Faradaya jako zbiór linii wypełniających całą przestrzeń i będących w stanie połączyć dwa naładowane obiekty, ale wielkim odkryciem było zrozumienie, że pole to jest autonomicznym bytem, który istnieje niezależnie od ładunków elektrycznych. Możemy więc sobie wyobrazić, że tak zwane linie Faradaya są zawsze obecne i tworzą w przestrzeni zamknięte krzywe. Moglibyśmy zatem uznać Wszechświat za złożony ze stałej przestrzeni, przestrzeni Newtona, zawierającej cząstki i pola.
Trzeci krok zrobił Albert Einstein , który w swojej ogólnej teorii względności sformułował radykalnie odmienną koncepcję, w tym sensie, że grawitacja nie jest siłą, ale przejawem krzywizny przestrzeni i czasu w obecności materii lub energii. Przestrzeń i czas są ze sobą ściśle powiązane i postrzegane jako dynamiczne pole grawitacyjne, podobnie jak pole elektromagnetyczne Maxwella. Konsekwencja jest znacząca: przestrzeń Newtona nie istnieje, w rzeczywistości jest polem grawitacyjnym. Nie powinniśmy więc dłużej uważać, że istnieją pola, które rozchodzą się w przestrzeni newtonowskiej, ale raczej, że pola rozchodzą się nad innymi polami: Wszechświat składa się z cząstek i pól, przestrzeń taka jak uważana przez fizykę klasyczną już nie istnieje.
Jeśli jednak chcemy zbudować teorię grawitacji na podstawie odkryć fizyki relatywistycznej i kwantowej, jednym podejściem byłoby opisanie pola grawitacyjnego w kategoriach „chmury prawdopodobieństw”. Pole to (czasoprzestrzeń) powinno więc przedstawiać strukturę ziarnistą w postaci chmury ziaren czasoprzestrzeni, której dynamika musi być probabilistyczna.
W 1986 roku Abhay Ashtekar przeformułował ogólną teorię względności Einsteina w formie bliższej równaniom współczesnej fizyki fundamentalnej. Niedługo potem Ted Jacobson i Lee Smolin zdają sobie sprawę, używając przeformułowania Ashtekara, że kwantowe równanie pola grawitacyjnego, znane jako równanie Wheelera-DeWitta , dopuszcza rozwiązania związane z zamkniętą krzywą w przestrzeni.
Carlo Rovelli i Lee Smolin definiują niezależną od przestrzeni kwantową teorię grawitacji, w której pętle te stanowią poszczególne linie pola grawitacyjnego. Jorge Pullin i Jurek Lewandowski rozumieją, że przecięcia tych pętli mają zasadnicze znaczenie dla spójności teorii i że teoria musi być sformułowana w kategoriach przecinających się pętli lub sieci. Teoria implikuje, że pojęcie czasoprzestrzeni należy zastąpić oddziaływaniem cząstek i pętli pola grawitacyjnego. Czasoprzestrzeń staje się ziarnista i probabilistyczna.
W 1994 r. Rovelli i Smolin wykazali, że operatory kwantowe teorii wiążą dyskretne widmo z powierzchniami i objętościami. W tej teorii przestrzeń jest skwantowana. Wyniki te uzyskano dzięki wkładowi sieci spinowych , obiektów matematycznych badanych przez matematyka Rogera Penrose'a . Pokazują, że objętość jest zmienną nieciągłą i że w modelu tej teorii przestrzeń składa się z kwantów przestrzeni zmaterializowanych na przecięciach pętli. Stają się zatem ważniejsze niż łączące je ogniwa, dzięki czemu możliwe staje się przedstawienie przestrzeni w postaci grafu, a tym samym uzyskanie sieci. Na tym samym łączu łączącym dwa kwanty (dwa węzły) można znaleźć kilka linii pola (odcinków pętli). Ta liczba wierszy pola jest liczbą całkowitą powiązaną z każdym łączem o nazwie „kręcenie łącza”. W ten sposób przestrzeń jest reprezentowana przez sieć spinów. Te sieci wirowania dokładnie opisać strukturę kwantową przestrzeni, którą można w pełni określona przez chmurę prawdopodobieństwa sieci wirowania, określonych jako „ pianka” wirowania . Odkrycie przestrzeni złożonej z pętli pojawiających się chronologicznie przed odkryciem sieci spinowej, ta teoria została historycznie nazwana „pętlą grawitacji kwantowej”.
Wersja kowariantna (pianka spinowa) tej dynamiki rozwinięta na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci, sformalizowana w 2008 roku przez wspólne prace zespołów badawczych we Francji, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Polsce i Niemczech, prowadzi do zdefiniowania rodziny amplitud przejściowych, które w granicy klasycznej może być postrzegana jako powiązana z rodziną funkcji obcinania równań wywodzących się z ogólnej teorii względności. Istnienie tych amplitud zostało udowodnione w 2011 roku.
Badania nad fizycznymi konsekwencjami teorii rozwijają się w kilku kierunkach. Wśród nich najlepiej rozwinięta do tej pory aplikacja dotyczy kosmologii, aw szczególności badania pierwotnego Wszechświata i fizyki Wielkiego Wybuchu . Jej najbardziej spektakularną konsekwencją byłoby (ponieważ pętlowa grawitacja kwantowa nie jest jeszcze ustaloną teorią), że ewolucja Wszechświata może być kontynuowana poza Wielkim Wybuchem. Wydaje się zatem, że Wielki Wybuch został zastąpiony przez rodzaj kosmicznego odbicia (patrz Wielkie Odbicie ) wcześniej istniejącego Wszechświata (być może tego samego) po jego fazie kurczenia się.
Największym wyzwaniem teorii pętli kwantowych było wyjaśnienie od samego początku sposobu, w jaki wyłania się klasyczna czasoprzestrzeń. Główne wyniki pętli kwantowej grawitacji, zademonstrowane przy użyciu rygorystycznych twierdzeń, to:
Wiele wysiłku wkłada się w zastosowanie teorii do zjawisk świata rzeczywistego, takich jak dokładny opis horyzontów czarnych dziur zapewniający prawidłowe wyrażenie entropii, zgodnie z przewidywaniami Bekensteina i Hawkinga . Znaczący postęp poczynił w 2005 r. Carlo Rovelli i jego zespół z Centrum Fizyki Teoretycznej w Marsylii, jeśli chodzi o odkrycie silnych przesłanek wskazujących na to, że teoria przewiduje, iż dwie masy przyciągają się nawzajem identycznie zgodnie z prawem Newtona. Wyniki te wskazują również, że dla niskich energii teoria ma grawitony, co sprawia, że pętlowa grawitacja kwantowa jest prawdziwą teorią grawitacji.
Niektóre aktualne, przełomowe tematy badawcze dotyczą przewidywania zmian w wynikach Hawkinga dotyczących termodynamiki czarnej dziury, które, jeśli zostaną zmierzone, mogą potwierdzić lub unieważnić teorię. Teoria ta służy również jako podstawa modeli pozwalających na badanie geometrii o silnej zależności czasowej wewnątrz czarnych dziur. Obliczenia wskazywałyby, że osobliwość wewnątrz czarnej dziury zostaje zastąpiona przez tzw. „odbicie czasoprzestrzenne”. W ten sposób czas może trwać dalej niż granica, w której zgodnie z ogólną teorią względności musi się skończyć. Teoria spekuluje, że czas przepłynąłby do innego nowo utworzonego obszaru czasoprzestrzeni, podobnie jak stara spekulacja Bryce'a De Witta i Johna Archibalda Wheelera. Informacje nie zostałyby zatem utracone, trafiłyby do nowego regionu czasoprzestrzeni.
Te same techniki są używane do badania tego, co dzieje się na samym początku Wszechświata. Na podstawie znalezionych wskazań, zgodnie z którymi osobliwość miałaby zostać wyeliminowana, teoria przewiduje istnienie Wszechświata przed Wielkim Wybuchem. Wyniki tych badań pozwoliły na opracowanie precyzyjnych przewidywań dotyczących skutków grawitacji kwantowej, które można wkrótce zaobserwować na kosmicznym, rozproszonym tle.
Niedawno odkryto, że pętlowa grawitacja kwantowa może wnieść szczególnie interesujący wkład w problem unifikacji. Rzeczywiście, teoria już zawiera cząstki elementarne, a ostatnie wyniki sugerują, że mieszczą się one dokładnie w fizyce cząstek Modelu Standardowego (patrz odpowiedni rozdział artykułu Preon ).