Vad är kvantvikt?

Kvanttyngd är en övergripande term för teorier som försöker förena tyngdkraften med fysikens andra grundläggande krafter (som redan är förenade tillsammans). Det utgör i allmänhet en teoretisk enhet, en graviton, som är en virtuell partikel som förmedlar gravitationskraften. Det är detta som skiljer kvanttyngd från vissa andra enhetliga fältteorier - även om vissa teorier, som i regel är klassificerade som kvanttyngd, inte nödvändigtvis kräver en graviton.

Vad's en Graviton?

Standardmodellen för kvantmekanik (utvecklad mellan 1970 och 1973) antyder att de andra tre grundläggande krafterna i fysik förmedlas av virtuella bosoner. Fotoner medierar den elektromagnetiska kraften, W och Z-bosoner medierar den svaga kärnkraften, och gluoner (som kvarkar) medierar den starka kärnkraften.

Därför skulle gravitationen förmedla gravitationskraften. Om den hittas, förväntas graviton vara masslös (eftersom den verkar omedelbart på långa avstånd) och har vridning 2 (eftersom tyngdkraften är ett andra rangordnat tensorfält).

Är kvantgravitet bevisat?

Det största problemet med att testa någon teori om kvanttyngd är att energinivåerna som krävs för att observera antagandena är ouppnåliga i nuvarande laboratorieexperiment.

Till och med teoretiskt har kvanttyngd allvarliga problem. Gravitation förklaras för närvarande genom teorin om allmän relativitet, som gör mycket annorlunda antaganden om universum på makroskopisk skala än de som gjorts av kvantmekanik i mikroskopisk skala.

Försök att kombinera dem stöter i allmänhet på "renormaliseringsproblemet", där summan av alla krafter inte avbryter och resulterar i ett oändligt värde. I kvantelektrodynamik hände detta ibland, men man kunde omnormalisera matematiken för att ta bort dessa problem. En sådan renormalisering fungerar inte i en kvanttolkning av gravitationen.

Antagandena om kvanttyngd är i allmänhet att en sådan teori kommer att visa sig vara både enkel och elegant, så många fysiker försöker arbeta bakåt och förutsäger en teori som de känner kan redogöra för symmetrierna som observerats i den nuvarande fysiken och sedan se om dessa teorier fungerar.

Vissa enhetliga fältteorier som klassificeras som kvanttyngdsteorier inkluderar:

• Stringteori / Superstring theory / M-theory
• supergravitation
• Loop kvanttyngd
• Twistor teori
• Icke-kommutativ geometri
• Euklidisk kvantitet
• Wheeler-deWitt-ekvation

Naturligtvis är det fullt möjligt att om kvanttyngd existerar, kommer det varken att vara enkelt eller elegant, i vilket fall dessa försök närmar sig med felaktiga antaganden och sannolikt skulle vara felaktiga. Endast tid och experiment kommer att säga säkert.

Det är också möjligt, som vissa av ovanstående teorier förutspår, att en förståelse av kvanttyngd inte bara konsoliderar teorierna, utan snarare kommer att införa en grundläggande ny förståelse av rum och tid.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.