Den loop kvantegravitation ( Loop kvantegravitation i engelsk ) er et forsøg på at formulere, uden henvisning plads, en teori om kvantegravitation , og således forene teorien om generelle relativitetsteori og begreberne kvantefysik . Det er baseret på den direkte kanoniske kvantificering af generel relativitet i en Hamilton-formulering , hvor de tre andre grundlæggende interaktioner ikke overvejes i starten. En vanskelighed ved fremgangsmåden er, at tiden spiller en enestående rolle, og at ligningernes generelle kovarians ikke længere er tydelig.
En første Hamilton-formulering af generel relativitet var blevet foreslået af Arnowitt , Deser og Misner i 1962, men forsøget på kanonisk kvantificering af deres teori af Wheeler og DeWitt havde ikke givet afgørende resultater, ligningerne opnået var for vanskelige at løse.
Det var i 1988, at væsentlige fremskridt fandt sted med opdagelsen af nye kanoniske variabler af Abhay Ashtekar . Disse variabler muliggjorde kanonisk kvantificering.
Et af de grundlæggende resultater af denne teori er, at rummet præsenterer en diskret struktur (i modsætning til den generelle relativitets relativitetstids kontinuum ): arealerne og rumfanget af rummet kvantificeres. Begrebet plads er til en vis grad erstattet af begrebet primitive korn, slags " atomer " i rummet eller mere præcist kvantum af tyngdefeltet, der er bundet sammen af links, der er karakteriseret ved en spin (spin of link), dermed navnet spin-netværk ( spin-netværk ).
En kovariant version, der stammer fra forskning i dynamikken i spin-netværk, blev formaliseret i 2008. Den fører til definitionen af en familie af overgangsamplituder bevist i 2011 og kræver eksistensen af en positiv kosmologisk konstant , som er i overensstemmelse med observationen af accelerationen af udvidelsen af universet .
Denne teori er delvist i konkurrence med teorien om superstrenge .
Her er en liste over de vigtigste fysikere, der arbejder på denne teori i 2012:
At opbygge en teori om kvantegravitation er at forene forestillingen om rumtid for generel relativitet med forestillingerne om energi og stof i kvantemekanik . Dette svarer til at integrere de revolutionære principper og konsekvenser af hver af disse to teorier og bringe dem sammen i en ny teoretisk tilgang, der gør det muligt at beskrive verden på alle skalaer.
I modellen for klassisk fysik , baseret på tyngdekræfterne som modelleret af Isaac Newton , opfattes rummet som et stadium, hvor fysiske begivenheder finder sted, ligesom en kasse, hvor "faste partikler" eller "fysiske objekter" ville udvikle sig i henhold til til en bestemt og absolut tid uanset observatøren.
Modellen klassiske fysiks stadig ufuldstændig, og det er det arbejde, som Michael Faraday og James Clerk Maxwell , der i det XIX th århundrede, vil forbedre. Disse to fysikere undersøgte, hvordan man definerer den elektriske kraft, der forbinder to objekter med modsatte ladninger. Faraday bragte begrebet magnetfelt frem i lyset, og det lykkedes Maxwell at forene de magnetiske og elektriske kræfter ved hjælp af et nyt "fysisk objekt": det elektromagnetiske felt .
Dette felt opfattes af Faraday som et sæt linjer, der fylder hele rummet og er i stand til at forbinde to ladede objekter, men den store opdagelse var at forstå, at dette felt er en autonom enhed, der eksisterer uafhængigt af de elektriske ladninger. Vi kan derfor forestille os, at de såkaldte Faraday-linjer altid er til stede og danner lukkede kurver i rummet. Vi kunne således betragte universet som sammensat af et fast rum, Newton, der indeholder partikler og felter.
Et tredje skridt blev taget af Albert Einstein , der i sin teori om generel relativitet anførte et radikalt andet koncept i den forstand, at tyngdekraft ikke er en kraft, men manifestationen af krumning af rum og tid i nærvær af stof eller energi. Rum og tid er tæt sammenflettet og ses i form af et dynamisk tyngdefelt, ligesom Maxwells elektromagnetiske felt. Konsekvensen er vigtig: Newtons rum eksisterer ikke, det er i virkeligheden et tyngdefelt. Således skal vi ikke længere overveje, at der er felter, der formerer sig i et newtonsk rum, men snarere at felter forplantes over andre felter: Universet består af partikler og felter, rum som det, der betragtes af klassisk fysik, eksisterer ikke længere.
Men hvis man ønsker at opbygge en teori om tyngdekraft startende fra opdagelserne af relativistisk og kvantefysik, ville en tilgang bestå i at beskrive tyngdefeltet i form af "sky af sandsynligheder". Dette felt (rumtid) skal således præsentere en granulær struktur i form af en sky af rumtidskorn, hvis dynamik skal være sandsynlig.
I 1986 omformulerede Abhay Ashtekar Einsteins generelle relativitet i en form tættere på ligningerne i den nuværende grundlæggende fysik. Kort efter indser Ted Jacobson og Lee Smolin ved hjælp af Ashtekars omformulering, at kvantegravitationsfeltligningen, kendt som Wheeler-DeWitt-ligningen , indrømmer løsninger forbundet med en lukket kurve i rummet.
Carlo Rovelli og Lee Smolin definerer en rumuafhængig kvanteteori om tyngdekraften, hvor disse sløjfer udgør de enkelte linjer i tyngdefeltet. Jorge Pullin og Jurek Lewandowski forstår, at skæringspunkterne mellem disse sløjfer er essentielle for konsistensen af teorien, og at teorien skal formuleres i form af skærende sløjfer eller netværk. Teorien antyder, at begrebet rumtid skal erstattes af en vekselvirkning mellem partikler og tyngdekraftfeltløkker. Rumtid bliver kornet og sandsynligt.
I 1994 viser Rovelli og Smolin, at teoriens kvanteoperatører forbinder overflader og volumener med et diskret spektrum. I denne teori er rummet kvantiseret. Disse resultater opnås takket være bidrag fra spin-netværk , matematiske objekter undersøgt af matematikeren Roger Penrose . De viser, at lydstyrken er en ikke-kontinuerlig variabel, og at rummet i denne teorimodel består af kvantum af rum, der er materialiseret i løkkekrydsene. De bliver derfor vigtigere end de links, der forbinder dem, og det bliver således muligt at repræsentere rummet i form af en graf og derfor få et netværk. På det samme link, der forbinder to kvanta (to noder), er det muligt at finde flere feltlinjer (dele af sløjfer). Dette antal feltlinjer er et heltal, der er knyttet til hvert link kaldet "link spin". Sådan er plads repræsenteret af et netværk af spins. Disse spin netværk beskriver præcist kvantestruktur plads, hvilket kan defineres fuldstændigt ved en sandsynlighed sky af spin netværk nævnt som ” spin-skum” . Opdagelsen af et rum, der består af sløjfer, der ankommer kronologisk før opdagelsen af spin-netværket, denne teori er historisk blevet kaldt ”loop quantum gravitation”.
Den kovariante version (spin skum) af denne dynamik, der er udviklet i løbet af de sidste årtier, formaliseret i 2008 af det fælles arbejde med forskerteams i Frankrig, Canada, Storbritannien, Polen og Tyskland, fører til definitionen af en familie af overgangsamplituder, som i den klassiske grænse kan ses som relateret til en familie af ligningsafkortningsfunktioner afledt af generel relativitet. Eksistensen af disse amplituder blev bevist i 2011.
Forskning på de fysiske konsekvenser af teorien udvikler sig i flere retninger. Blandt disse vedrører den bedst udviklede applikation til dato kosmologi og især studiet af det primære univers og fysikken i Big Bang . Dens mest spektakulære konsekvens vil være (fordi sløjfekvantum er endnu ikke en etableret teori), at universets udvikling kan fortsættes ud over Big Bang. Big Bang synes derfor at blive erstattet af en slags kosmisk afvisning (se Big Bounce ) fra et allerede eksisterende univers (måske det samme) efter dets sammentrækningsfase.
Den største udfordring ved kvanteslyngeteori var at forklare, fra starten, en måde, hvorpå klassisk rumtid opstår. Hovedresultaterne af sløjfekvantum, demonstreret ved hjælp af strenge sætninger, er:
Der investeres en stor indsats i anvendelsen af teorien på fænomener i den virkelige verden, såsom en nøjagtig beskrivelse af de sorte huller, der giver det korrekte udtryk for entropi, i overensstemmelse med forudsigelserne fra Bekenstein og Hawking . Betydelige fremskridt blev gjort i 2005 af Carlo Rovelli og hans team ved Center for Teoretisk Fysik i Marseille, hvad angår opdagelsen af stærke indikationer på, at teorien forudsiger, at to masser tiltrækker hinanden identisk til Newtons lov. Disse resultater indikerer også, at teorien for lave energier har tyngdekrafter, hvilket gør sløjfekvantummets tyngdekraft til en sand teori om tyngdekraft.
Nogle aktuelle avancerede forskningstemaer vedrører forudsigelse af ændringer i Hawkings resultat for termodynamik i sort hul, som, hvis det måles, kunne validere eller ugyldiggøre teorien. Teorien tjener også som grundlag for modeller, der tillader studiet af geometrier med stærk tidsmæssig afhængighed inde i sorte huller. Beregninger indikerer, at singulariteten inde i et sort hul erstattes af det, der kaldes et "rum-tid-rebound". Således kunne tiden fortsætte ud over grænsen, hvor den ifølge generel relativitet skal slutte. Teorien spekulerer i, at tiden vil flyde til et andet nyoprettet område af rumtid, ligesom en gammel spekulation af Bryce De Witt og John Archibald Wheeler. Oplysningerne ville derfor ikke gå tabt, de ville gå til en ny region med tid.
De samme teknikker bruges til at studere, hvad der sker helt i starten af universet. Fra de fundne indikationer, ifølge hvilke singulariteten ville blive elimineret, forudsiger teorien universets eksistens før Big Bang. Resultaterne af disse undersøgelser har gjort det muligt at udvikle nøjagtige forudsigelser om virkningerne af kvantegravitation, som snart kunne observeres i den kosmiske diffuse baggrund.
Det er for nylig blevet opdaget, at sløjfekvantgravitation kan yde et særligt interessant bidrag til problemet med forening. Faktisk har teorien allerede elementære partikler i sig, og nylige resultater antyder, at disse falder nøjagtigt inden for partikelfysikken i standardmodellen (se det tilsvarende afsnit i Preon- artiklen ).