Существует ли такая вещь, как неопределенность кривизны?

Я пытался рассуждать о том, как квантовая механика может быть связана с искривлением пространства-времени, и пришел к очевидному противоречию, которое меня озадачивает. Было бы неплохо, если бы кто-нибудь указал, если я ошибаюсь.

Допустим, кто-то хочет определить расстояние, например, положение частицы, с высокой точностью. Затем, в соответствии с принципом неопределенности, приходится жертвовать точностью того, насколько точно может быть известен импульс частицы, поэтому попытка определить расстояние более точно влечет за собой увеличение неопределенности импульса. С другой стороны, согласно общей теории относительности, кривизна пространства-времени связана с энергией и импульсом любой присутствующей материи, поэтому, если кривизна зависит от импульса, увеличение неопределенности импульса должно привести к увеличению «неопределенности кривизны» (хотя я не не думаю, что когда-либо слышал этот термин). Вот где у меня проблемы: поскольку расстояние между двумя точками зависит от кривизны между ними (то есть,

Я предполагаю, что кажущийся парадокс связан с введением в мои аргументы этой «неопределенности кривизны», что кажется немного странным. Является ли весь аргумент неверным, или его можно использовать как способ показать, что бесконечно малые расстояния не могут быть измерены?

Я не знаю, правильно это или нет, но, вероятно, это можно было бы сделать немного более формальным. Энергия и импульс — это материя, присутствующая в пространстве-времени, а расстояния, имеющие отношение к кривизне, — это расстояния между событиями в пространстве-времени, а не положения частиц, хотя очевидно, что они связаны между собой.

Ответы (2)

Хороший вопрос. Это не удивительно. Мы до сих пор не согласовали ОТО (общую теорию относительности) с квантовой теорией (КТ). Мы не знаем, как сделать то, что вы просите.

Измерение положения частицы можно сделать точно в QT, как вы сказали, и это означает, что вы выбрали его положение. Затем переменная импульса имеет бесконечную дисперсию в этом состоянии, что подтверждает принцип неопределенности. Это верно для квантовой частицы в ФИКСИРОВАННОМ пространственно-временном фоне, т.е. в определенной кривизне. Мы знаем это, потому что мы разработали, как иметь дело с квантовыми частицами или квантовыми полями на фиксированном фоне.

Но затем вы делаете еще один шаг, как и следовало бы, и говорите, что импульс должен сделать источник гравитационного поля квантовой сущностью, а поле тогда должно быть квантовым, и, таким образом, какой-то его аспект должен находиться в квантовое состояние. Если это небольшой эффект, мы можем рассматривать его пертурбативно и вычислять этот эффект. Но потом снова возникают возмущения по положению и так далее, где приходится делать бесконечное количество возмущений. Мы не знаем, как вычислить это, не прибегая к бесконечности, которую оно включает; квантовая гравитация, сделанная таким образом, не перенормируема, это было доказано. Если бы вы хотели первое возмущение, и оно было бы небольшим, как одна частица изменилась, то оно действительно легко сошлось бы, но на самом деле входят все частицы, все источники гравитационного поля, и мы должны учитывать их все.

Хорошей новостью является то, что гравитация слабо связана с материей и чем-то еще, и мы можем сделать одношаговое приближение и в полях, которые не слишком сильны, достаточно близко подобраться к ответу. На самом деле, в основном мы просто рассматриваем затронутые частицы как очень немногие, рассматриваем их количественно, а источник гравитационного поля (т. е. кривизну) рассматриваем классически. Это то, что сделали Хокинг и другие, рассматривая, как квантовый эффект вызывает излучение от черной дыры.

Текущая работа по квантовой гравитации ведется по нескольким направлениям, из которых теория струн и петлевая квантовая гравитация являются двумя наиболее популярными. Эквивалентность между гравитацией в пространстве-времени (конкретном, Антидеситере) и конформной КТ в его границах — это еще один подход, называемый AdS/CFT-соответствием. Пока мы не выясним это, у нас нет ответа на ваш вопрос.

Популярный концептуальный взгляд на то, как может выглядеть гравитация в квантовой сфере, который проявился бы на планковских масштабах 10 33 cms — это бурлящая и быстро меняющаяся пена, которая представляет собой предшественник пространства-времени на больших нормальных расстояниях.

Google Quantum Gravity и см. в качестве вступления статью в вики по адресу https://en.m.wikipedia.org/wiki/Quantum_gravity .

Спасибо за ваш ответ! Итак, если я правильно понял, теоретики ищут независимую от фона квантовую теорию?
@ Дэвид Эрреро Марти. Фоновая независимость не полностью определена. См. вики-страницу об этом. Во всяком случае, LQG явно независима от фона, а теория струн — нет, но имеет некоторые черты независимости от фона. Остается спорным вопросом

Прочитайте главу 21 в книге «Гравитация Мизнера-Торна-Уилера». В нем вы увидите вывод подхода Арновитта-Дезера-Мизнера (АДМ) к теории относительности. Я не буду воспроизводить это здесь, а набросаю немного этого. Кривизна Римана приводит к гамильтоновой связи ЧАС   "="   г я Дж к л π я Дж π к л . Здесь π я Дж метрика импульса, сопряженная с метрикой г я Дж для пространственной поверхности и г я Дж к л является метрикой суперпространства. Тогда мы имеем естественное условие квантования

π ^ я Дж   "="   я дельта г я Дж ,
где понятно есть коммутатор
[ π ^ я Дж ,   г к л ]   "="   я дельта к я дельта л Дж .
Это приводит к соотношению неопределенностей между метрическим оператором импульса и пространственной метрикой. Соотношение неопределенностей можно показать стандартным образом.

Метрика импульса построена из внешней кривизны, и поэтому это форма неопределенности между кривизной и метрикой. Это можно продолжить с помощью ограничения Гамильтона. Хорошим кандидатом для рассмотрения будет продукт метрических компонентов. г я Дж г к л .

Дополнительную информацию о квантовании общей теории относительности с помощью ADM см. на en.m.wikipedia.org/wiki/Canonical_quantum_gravity . В основном это называется каноническим квантованием гравитации. Это не работает. Он указывает, что у него были непоправимые проблемы, которые были частично решены с помощью лечения Аштекара-Барбероса, у которого все еще были серьезные проблемы. Оставшийся в живых из всего, что в основном является текущей Петлевой Квантовой Гравитацией. Не уверен, как обстоят дела на нем.
Конечно, есть проблемы с уравнением Уилера-Де Витта. Варианты этого с переменными Аштекара и LQG в лучшем случае являются своего рода низкоэнергетической квантовой гравитацией. Конечно, у петель или распорок есть проблемы с отсечкой «жесткого УФ», и есть другие проблемы с LQG. Я думаю, что в некотором роде WKB или полуклассическом способе уравнение WDW и LQG имеют некоторое отношение к квантовой гравитации. Существуют также потенциальные глубокие причины, по которым LQG не работает как фундаментальная теория квантовой гравитации.