Materia en gravedad cuántica de lazos

 Tuesday, November 8th

Mehdi Assanioussi, University of Warsaw

Matter in LQG
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by Jorge Pullin, LSU

Las teorías de campos tradicionales se formula usando una estructura matemática conocida como la representación de Fock. En la misma los elementos físicos como la noción de partículas como los fotones y sus propiedades tienen una contrapartida matemática bien definida. Esta estructura se usa también en la teoría de campos en espacio-tiempos curvos, una aproximación a la gravedad cuántica en la cual uno trata a la gravedad clásicamente como un espacio-tiempo curvo y estudia campos cuánticos en el mismo. La teoría de campos en espacio-tiempo curvo ha sido desarrollada muy ampliamente desde la década del 60 del siglo pasado y ha generado predicciones importantes como la radiación de Hawking y la producción de partículas en el universo temprano. Si la gravedad cuántica de lazos va a proveer una buena descripción de la naturaleza, uno espera que emerja un contacto de su estructura con la de la teoría de campos cuánticos en espacio-tiempo curvo. Con este fin, Varadarajan, en los primeros años de este siglo, desarrolló la representación r-Fock para campos cuánticos en espacio-tiempo curvo. La misma tiene elementos en común tanto con la representación de lazos usada en gravedad cuántica de la lazos como con la representación de Fock. Al principio solo fue desarrollada para campos Abelianos (como los fotones) y esto se vio como una limitación de la estructura. Más tarde Ashtekar y Lewandowski presentaron una generalización a campos no-Abelianos (como los gluones), pero tenía ciertas dificultades técnicas. El expositor, junto a Lewandowski, ha recientemente desarrollado una versión alternativa de la representación r-Fock que evita las dificultades técnicas. Preguntas abiertas incluyen cómo formular la dinámica de la gravedad cuántica de lazos en esta representación y si puede ayudar a recuperar la imagen continua del espacio tiempo clásico de la estructura inherentemente discreta que la gravedad cuántica de lazos genera a nivel cuántico.

La búsqueda de signos de gravedad cuántica en experimentos "de mesa"

 Tuesday, Apr 5th

Marios Christodoulou, University of Vienna

The search for `table-top' quantum gravity signatures
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Por Jorge Pullin, LSU

Sabemos que las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas requieren de la mecánica cuántica para su correcta descripción. Esto es en parte debido a que estas fuerzas son importantes a nivel microscópico y sabemos que a ese nivel la mecánica clásica no funciona bien. La gravedad es distinta. A nivel microscópico, sus efectos son despreciables. Por ejemplo, la repulsión eléctrica entre dos electrones (tienen la misma carga) es 1044 (esto es un uno seguido de 44 ceros) veces más grande que su atracción gravitatoria. La gravedad es importante en el mundo macroscópico, donde los efectos cuánticos se desdibujan debido a la presencia de un número muy grande de grados de libertad. ¿Hace falta cuantizar la gravedad? Razones conceptuales lo sugieren, no sabemos realmente como acoplar consistentemente teorías clásicas y cuánticas.

Recientemente, avances en tecnologías cuánticas han permitido estudiar interacciones gravitacionales entre objetos de tamaños cada vez más pequeños. Esto abre la posibilidad de revelar fenómenos cuánticos. En particular un fenómeno llamado entrelazado en el que las propiedades de dos masas se vuelven correlacionadas. ¿Pero incluye esto aspectos cuánticos de la gravedad? El tema esta siendo arduamente debatido. Los experimentos involucran masas pequeñas levitantes que están a distancias microscópicas unas de otras. Usualmente la dinámica se vuelve más clara cuando las masas están a distancia, dado que uno puede introducir nociones como ondas, fotones y gravitones que son más difíciles de caracterizar cerca de las fuentes. Esto ha llevado a varias afirmaciones y contra afirmaciones en la literatura. El seminario dio una visión de estas controversias y los correspondientes trabajos publicados y sugirió que experimentos en un futuro relativamente cercano pueden ayudar a clarificar la situación y quizá ofrezcan una manera conclusiva de verificar la naturaleza cuántica de la gravedad.

Dependencia del reloj y unitariedad en cosmología cuántica

Tuesday, Mar 22nd
Lucía Menéndez-Pidal, Nottingham University

Clock dependence and unitarity in quantum cosmology
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Por Jorge Pullin, LSU

En física ordinaria, el tiempo (y el espacio) están dados de entrada y para siempre. Son cantidades de “fondo” que no evolucionan. En teorías de la gravedad como la relatividad general, donde uno describe los efectos gravitatorios no como una fuerza sino como una deformación del espacio-tiempo, las cosas son distintas. Para empezar, a menos que uno considere una configuración gravitacional concreta (un espacio-tiempo concreto), el tiempo (y el espacio) simplemente no existen. Aun después de considerar un espacio-tiempo dado, interpretarlo como una “evolución” del espacio (y materia) como “funciones del tiempo”, requiere de cierto cuidado, especialmente cuando uno considera la versión cuántica de las cosas. El procedimiento más obvio es considerar alguna variable del problema, como por ejemplo el valor de un campo material, y usarlo para “dar la hora”. Algunas elecciones de este tipo pueden ser muy malas. Por ejemplo, si uno elige la posición de una roca que no se mueve como la medida del “tiempo”, la “evolución” que resulta para lo que uno querría estudiar no será algo fácilmente reconocible. Aun si uno hace elecciones “juiciosas”, no es para nada claro que las evoluciones resultantes puedan ser consideradas físicamente equivalente. Los detalles de cómo son las ecuaciones de Einstein sólo agregan complicaciones a esto.

Este seminario consideró estas cuestiones en el contexto simplificado de las cosmologías homogéneas, donde la dependencia espacial es muy simple y permite hacer cálculos explícitos y bien definidos. Aun en este contexto simplificado, el seminario mostró que hay varias sutilezas. Una de las propiedades centrales de la física cuántica, llamada la unitariedad, que esencialmente implica que la información no se destruye, no está garantizada automáticamente. En la gravedad cuántica de lazos aplicada a cosmología (cosmología cuántica de lazos), la singularidad del Big Bang usualmente se elimina y la evolución es regular donde la relatividad general clásica tiene infinitos. El seminario mostró que esta propiedad no está garantizada y depende de la elección de reloj que se haga.

Limitaciones a agujeros negros polimerizados a partir de la radiación de Hawking.

 

Tuesday February 8th 2022
Jeremy Auffinger, Univ. Lyon

Polymerized black hole constraints from Hawking radiation
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Por Jorge Pullin, LSU

Hay agujeros negros de distintos tipos. Los más conocidos son los que resultan cuando una estrella, con una masa algo mayor que la del Sol, colapsan. La masa de los agüeros negros resultantes es un múltiplo de la masa del Sol y se los conocen como agujeros negros “estelares”. Existen agujeros negros mucho mas grandes, de millones a miles de millones de masas solares. Estos se encuentran en el centro de las galaxias y presumiblemente se forman absorbiendo estrellas y agujeros negros circundantes. Se los conoce como agujeros negros supermasivos. Una tercera categoría, que no ha sido directamente observada aun, consistiría en agujeros negros muchos más chicos. Serían producidos en el universo temprano a partir de fluctuaciones en la densidad de materia.

La manera en que las estrellas rotan alrededor de las galaxias sugiere que las últimas contienen mucha más materia que lo que es visible. Este es el origen de la conjeturada “materia oscura” que se supone contienen. Hay varias propuestas para que clase de objetos constituirían la materia oscura, que van desde partículas elementales de distintos tipos hasta agujeros negros primordiales.

En la década del 70, Hawking mostró teóricamente que los agujeros negros emiten radiación como lo hace un pedazo de metal caliente, con una temperatura característica. Esta última es inversamente proporcional a la masa de los agujeros negros. Para agujeros negros estelares, la temperatura es muy baja, del orden del millonésimo de grado. Como consecuencia, la radiación de Hawking de dichos agujeros negros es inobservable en la práctica. Los agujeros negros primordiales, como son más chicos, tendrían una temperatura mucho más alta y por ende más radiación de Hawking. Esta no ha sido observada (aun), así esto puede ser usado para poner cotas a la presencia de este tipo de agujeros negros. Si uno los toma como candidatos a la materia oscura, esto ayuda a poner limitaciones a los tipos posibles de modelos de materia oscura.

La gravedad cuántica de lazos ha sido aplicada a lo largo de la última década a situaciones con simetría esférica, incluyendo agujeros negros. Han emergido distintos modelos, difiriendo en hipótesis y presentan escenarios que difieren en pequeños detalles. Pero la característica central es que eliminan los infinitos que aparecen en relatividad general clásica dentro de los agujeros negros y conocidos como singularidades. Había una expectativa de larga data que una teoría exitosa de la gravedad cuántica llevaría a un resultado así, dado que nada puede ser infinito en la realidad.

Esta plática analizó las modificaciones a los cálculos de radiación de Hawking de agujeros negros primordiales, y sus consecuencias en modelos de materia oscura que los involucran, si uno considera los agujeros negros que aparecen en gravedad cuántica de lazos. Si alguna vez se observa la radiación de Hawking de estos agujeros negros podría proveed valiosa información experimental acerca de la gravedad cuántica.

Huellas de la cuantización del área de agujeros negros en ondas gravitacionales

Tuesday, Jan 25th Adrián del Río, PennState

Imprints of black hole area quantization in gravitational waves
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Por Jorge Pullin, LSU

Uno de los lugares distintivos donde la mecánica cuántica deja una huella en nuestra vida cotidiana es en los espectros de los átomos. La teoría dice que los átomos solo pueden absorber y emitir ciertas cantidades discretas de energía (los cuantos) cuando interactúan, por ejemplo, con un campo electromagnético. Dado que la energía de los fotones está directamente relacionada con su frecuencia, eso quiere decir que los átomos solo pueden emitir luz en ciertas frecuencias. Un ejemplo de esto es cuando espolvoreamos sal sobre una llama. La misma se vuelve amarilla, el color asociado con los cuantos típicos del sodio.

Las teorías de la gravedad cuántica predicen que la masa (y por ende el área) de los agujeros negros está cuantizada. Esto quiere decir que cuando los agujeros negros interactúan con ondas gravitacionales, las frecuencias involucradas estarán cuantizadas. Esta plática muestra que la cuantizacion puede dejar huellas en el tipo de ondas gravitacionales que están siendo detectadas por detectores interferométricos de ondas gravitacionales como LIGO y VIRGO. Estas ondas provienen de colisiones de agujeros negros. Las mismas perturban a los agujeros negros y los mismos vibran con una amplitud que decrece en el tiempo como lo hace una campana que vibra y emite ondas de sonido (de hecho, para agujeros negros de masas como la del Sol, la frecuencia es parecida, del orden del kilo Hertz). Esta vibración tendría huellas debidas a las cuantizacion de las áreas que aparecen como “ecos”, patrones repetitivos en las ondas emitidas.

La cuantizacion de las áreas ha sido esperada desde siempre en gravedad cuántica. Usualmente la gente supone que las cuantizacion estará dada por un múltiplo entero de el área “fundamental” dada por la longitud de Planck al cuadrado. La longitud de Planck es la longitud fundamental que uno puede construir usando la constante de acoplamiento gravitatoria G, la velocidad de la luz c, y la constante de Planck de la teoría cuántica conocida como h-barra. Esta plática mostró que, si las áreas están cuantizadas de esta manera, hay potenciales consecuencias observacionales en ondas gravitacionales detectadas de colisiones de agujeros negros. La gravedad cuántica de lazos, por otro lado, tiene una predicción más sofisticada sobre la cuantizacion de las áreas. En la misma, los cuantos no están igualmente espaciados, sino que “se amontonan” cuando uno considera áreas mayores. Esto implica que para agujeros negros astrofísicos como los que detecta LIGO, los efectos de la cuantizacion son increíblemente chicos. Esto puede ser visto como un aspecto positivo de la teoría, dado que no se han observado desviaciones de las predicciones de la teoría clásica en las observaciones de ondas gravitacionales.