Frage:
Warum ist die Quantengravitation nicht renormierbar?
niels nielsen
2019-06-30 08:58:55 UTC
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Das Buch Die Ideen der Teilchenphysik enthält eine kurze Behandlung der Quantengravitation, in der behauptet wird, dass das Ergebnis das Ergebnis ist, wenn man versucht, ein Gravitationsmodell nach dem Vorbild von QED zu konstruierenist nicht renormierbar und der Grund dafür ist darauf zurückzuführen, dass in diesem Fall der Kraftträger (das Graviton) in dem Sinne "geladen" ist, dass er Energie enthält und sich daher an Energie koppelt, die andere Gravitonen enthält.Dies steht im Gegensatz zu den Photonen in QED, die ungeladen sind und daher nicht miteinander koppeln.

Obam diese Behauptung zutreffend, oder ist sie stattdessen eine übermäßige Vereinfachung von etwas komplexerem?
Weitere Informationen zu [Quantengravitation & Renormierung] (https://physics.stackexchange.com/questions/tagged/renormalization+quantum-gravity).
Verwandte: [Was ist der entscheidende Punkt, um zu argumentieren, dass die reine Schwerkraft nicht aus zwei Schleifen renormierbar ist?] (https://physics.stackexchange.com/q/374438/84967).
Ich vermute, dass die Behauptung in dem Buch einen Verweis auf das [Weinberg-Witten-Theorem] (https://en.wikipedia.org/wiki/Weinberg%E2%80%93Witten_theorem) enthält, mit dem jedoch einige Quantengravitationsmodelle getötet werden könnengilt nicht direkt für GR.
Die Antwort auf Ihre Frage lautet "weder".Es ist weder genau noch zu stark vereinfacht.es ist einfach falsch.(Aber hey, zumindest ist es nicht einmal falsch!)
Drei antworten:
G. Smith
2019-06-30 09:06:45 UTC
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Ich denke, dies ist eine irreführende Vereinfachung.

Gluonen tragen Farbladung und koppeln sich selbst, QCD ist jedoch renormierbar.

In ähnlicher Weise tragen W-Bosonen schwaches Isospin und koppeln sich selbst, aber die elektroschwache Theorie ist renormierbar.

Im Allgemeinen sind nicht-abelsche Eichentheorien renormierbar, obwohl ihre Kraftträger miteinander koppeln.

Das Problem mit der Schwerkraft besteht darin, dass die Kopplungskonstante $ G $ span> nicht dimensionslos ist (in Einheiten, in denen $ \ hbar $ span> und $ c $ span> sind 1).Folglich beinhaltet jede Störungsexpansion in $ G $ span> immer höhere Leistungen des Riemann-Krümmungstensors.Anstatt wie bei renormierbaren Theorien eine endliche Anzahl möglicher „Gegenterme“ während der Renormierung zu geben, gibt es unendlich viele davon.

Könnten Sie uns bitte einen Text geben, der über die $ G $ spricht?
$ G $ ist Newtons (und Einsteins) Gravitationskonstante.
+1: @nielsnielson Interessanterweise ist QCD (bei dem Gluonen unter der Farbe $ SU (3) $ aufgeladen werden) nicht nur renormierbar, sondern die Störungstheorie wird bei immer höheren Energien immer besser.Andererseits wird ein Photon von QED nicht unter dem elektromagnetischen $ U (1) $ geladen, und dennoch bricht die QED-Störungstheorie im tiefen UV zusammen.
@M.N.Raia Es ist bekanntermaßen schwer zu finden.
Die Quantengravitation ist eine allgemeine Klasse von Theorien, daher ist es nicht richtig zu sagen, dass die Quantengravitation nicht renormierbar ist.Die Aussage sollte sein, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie nicht renormierbar ist.@safesphere Kommentar hier hinzugefügt.Was meinst du mit einer "gültigen" Gravitationstheorie, die du kennst?
Beachten Sie, dass das Problem nicht so sehr darin besteht, dass die Kopplungskonstante dimensioniert ist, sondern dass sie eine negative Massendimension aufweist.Wenn die Dimension positiv wäre, wäre sie renormierbar.
MannyC
2019-06-30 10:36:41 UTC
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Wie die andere Antwort sagte, hat ein aufgeladener Träger nichts mit Renormalisierbarkeit zu tun. Ich würde sagen, dass das, was das Buch sagt, keine bloße Vereinfachung ist, sondern direkt falsch.

Der Grund, warum die Schwerkraft nicht renormierbar ist, hängt mit der Massendimension der Kupplung zusammen. Genauer gesagt sollte man sagen, dass die Theorie durch Potenzzählung nicht renormierbar ist. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen, die meiner Meinung nach gleich wichtig sind.

R-Normalisierung als Verfahren zur Heilung von Divergenzen

Bei der Berechnung von Feynman-Diagrammen ist es manchmal möglich, eine schlecht definierte, abweichende Antwort zu erhalten. Der Zweck der Renormierung besteht darin, herauszufinden, wie dies sinnvoll ist.

Die Idee ist, dass ich mit einem Lagrange als Funktion einiger Kopplungen beginne und die Theorie mit einem Parameter $ \ Lambda $ span> modifiziere, um endliche Ergebnisse zu erhalten. Dann passe ich die Parameter $ g_i $ span> meines Lagrange sorgfältig an, damit die Abhängigkeit von $ \ Lambda $ span> aufgehoben wird von allen physikalischen Observablen. Mit anderen Worten, ich habe eine Maschinerie $ \ mathcal {F} _ \ Lambda $ span> (die Feynman-Diagramme), die aus $ \ stammt mathcal {L} _0 (g_i) $ span> (der Lagrange) erzeugt die Observablen $ f_j $ span> $$ \ mathcal {L} _0 (g_i) \; \ to \; \ boxed {\ mathcal {F} _ \ Lambda} \; \ to \; f_j (g_i, \ Lambda) \ ,, $$ span> und ich wähle $ g_i $ span>, damit $ f_j $ span> tatsächlich nicht von $ \ Lambda $ span> überhaupt. Das Problem ist, dass dies nicht immer möglich ist und wir manchmal andere Kopplungen in den Lagrange einführen müssen $$ \ mathcal {L} _1 (g_1, \ ldots g_ {n + 1}) = \ mathcal {L} _0 (g_1, \ ldots g_n) + g_ {n + 1} \ mathcal {O} \ ,. $$ span> Diese neue Kopplung war am Anfang nicht vorhanden, muss jedoch die Abhängigkeit $ \ Lambda $ span> aufheben. Jedes Mal, wenn ich eine Berechnung mit höherer Genauigkeit durchführe, besteht die Gefahr, dass ich immer mehr Kopplungen hinzufügen muss. Gibt es also Hoffnung, dass dieser Vorgang irgendwann endet?

Ja, die Antwort lautet Leistungszählung. Es gibt eine nette Eigenschaft der Divergenzen, die in Feynman-Diagrammen auftreten: Wenn die in das Diagramm eingegebenen Kopplungen die Massendimension $ \ delta_i = g_i $ span> haben, kann der divergierende Teil durch Kopplungen mit einer Dimension größer oder gleich $ \ sum_i \ delta_i $ span> absorbiert werden.

Klar $ \ delta_i \ leq d $$ \; {} ^ {\ underline {1}} $ span>, da es keine Operatoren mit negativer Massendimension gibt. Wenn also alle $ \ delta_i $ span> positiv sind, werden die Kopplungen unter Renormierung geschlossen. Ich kann alle Abweichungen konsistent beseitigen, indem ich (im schlimmsten Fall) alle möglichen Operatoren der Dimension $ 0 \ leq \ delta_i \ leq d $ span> setze.

Wenn andererseits mindestens einer der $ \ delta_i $ span> negativ ist, gibt es ein Diagramm, das einen Operator benötigt, dessen Kopplung die Dimension $ 2 \ delta_i $ span>. Was noch negativer ist, also brauchen wir noch eine mit $ 3 \ delta_i $ span> und so weiter. In diesem Szenario hat die Prozedur kein Ende und wir haben eine unendliche Anzahl von Kopplungen $$ \ mathcal {L} _1 = \ mathcal {L} _0 + g_ {n + 1} \ mathcal {O} + g_ {n + 2} \ mathcal {O} '+ \ ldots \,. $$ span> Wir brauchen unendlich viele Experimente $ f_j $ span>, um all diese $ g_i $ span> zu reparieren, also die Theorie ist nutzlos.

Ansatz der R-Normalisierungsgruppe

Ein weiterer komplementärer Ansatz ist der der Renormierungsgruppe. Der Renormierungsgruppenansatz untersucht das Verhalten eines Quantensystems beim "Herauszoomen". Das heißt, wenn wir die mikroskopischen Details ignorieren und nur die dynamischen Variablen beibehalten, die die Physik in größeren Maßstäben beschreiben.

Der Nettoeffekt dieser Transformationen ist eine Änderung der Kopplungen im Lagrange und möglicherweise die Hinzufügung neuer. Sehr ähnlich wie beim Renormierungsprozess.

Dieses Verfahren ist offensichtlich eine Möglichkeit, da wir dabei Informationen verlieren. Trotzdem kann man versuchen, rückwärts darüber nachzudenken. Die Operatoren, deren Kopplungen $ \ delta_i > 0 $ span> haben, sind Eigenvektoren dieser Transformation mit einem Eigenwert kleiner als eins. So werden sie auf kleinen Entfernungen (hohe Energien) immer weniger wichtig. Auf der anderen Seite explodieren Operatoren mit $ \ delta_i<0 $ span> im Hochenergiebereich. Um sie rückwärts zu verfolgen, müssen wir alle Kopplungen all dieser Operatoren mit extrem hoher Genauigkeit kennen.

Dies ist eine weitere Signatur der Tatsache, dass Theorien mit Kopplungen negativer Massendimensionen nicht auf hohe Energie extrapoliert werden können, ohne eine unendliche Menge an Informationen liefern zu müssen.

So was ist mit der Schwerkraft?

Ja, wie die andere Antwort hervorhob, hat die Schwerkraft eine Kopplung mit negativer Dimension und es ist die Newton-Konstante (oder äquivalent die Planck-Masse zum $ - 2 $ span >) $ \, {} ^ {\ underline {2}} $ span> $$ 8 \ pi G = M_P ^ {- 2} \,. $$ span> Aber es ist nicht alles verloren.Wie ich im letzten Absatz zu erklären versuchte, ist das Problem der Nicht-Renormierbarkeit tatsächlich ein Problem hoher Energien.Die Theorie bleibt prädiktiv für die Energien, die wir im Collider erreichen können.Bei Energien, die größer als $ M_P $ span> sind, haben wir jedoch keine Ahnung.


$ \; \; {} ^ {\ underline {1}} $ span> Die Anzahl der Dimensionen, dh $ 4$ span>.

$ \; \; {} ^ {\ underline {2}} $ span> Ich verwende natürliche Einheiten.

Standard-Haftungsausschluss darüber, wie falsch es ist, nicht normalisierbare Theorien als nutzlos zu bezeichnen, weil sie immer noch Erklärungskraft für niedrige Energien bieten, wenn nur eine begrenzte Anzahl von IR-irrelevanten Operatoren nicht vernachlässigt werden kann, auch nicht alles über Hep, Theoretiker der kondensierten Materie haben nobrenormalisierbar erfolgreich eingesetztTheorien seit Generationen bla bla bla
Natürlich stimme ich zu.Ich habe versucht, diesen Haftungsausschluss in den letzten Satz aufzunehmen, aber ich hätte ihn mehr betonen sollen.
Sagen wir, es gelingt Ihnen majestätisch, die Schwerkraft zu renormieren.Wie würde dies die Gravitationszeitdilatation erklären?
@safesphere guter Punkt, auch die Fuzzy-Lichtkegel gehen in den gleichen Eimer von Argumenten.Die Frage betraf jedoch die Nicht-Renormierbarkeit
Gibt es einen Tippfehler in "Dimension größer gleich"?
d_b
2019-06-30 16:57:32 UTC
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Ich bin der Meinung, dass die ausgezeichnete Antwort von MannyC ein kurzes Nachskript verdient.Letztendlich ist der Grund dafür, dass die Gravitationskopplung eine negative Massendimension aufweist, eine Folge der Tatsache, dass das Hochenergiespektrum von GR Schwarze Löcher enthält.Eine gute Erklärung hierfür finden Sie hier.Ja, technisch gesehen liefert GR keine renormierbare QFT, da es unendlich viele Gegenterme erfordert.Dies ist jedoch nur ein Symptom für die Schwarzen Löcher in der Theorie.

Wenn dies nur ein Nachtrag zu MannyCs Antwort ist, ist es besser, daraus einen Kommentar zu machen.
@BenCrowell Ich denke, dies könnte eine Antwort für sich sein ... Die Frage war: "Warum ist QG nicht renormierbar? Dieser antwortet:" Im Wesentlichen, weil in GR schwarze Löcher existieren. "
@BenCrowell Außerdem werden Kommentare von Zeit zu Zeit massenweise gelöscht.Wenn Sie also eine vorhandene Antwort ergänzen möchten, die von Dauer sein soll, ist es der einzige Weg, in einer anderen Antwort darauf zu verweisen.
Cmaster hat recht, und das ist ein Grund, warum ich die Antwort von db positiv bewertet habe, aber d b kann sie trotzdem löschen, da eine andere Antwort bereits akzeptiert wurde, also sollte sich jemand, der sie wirklich wirklich mag, ... äh ... sie merken.Wie jeder sehen kann, der Guths Vortrag über Kosmologie mit unendlicher Entropie und zwei Zeitpfeilen (verfügbar auf Youtube) im Januar 2018, an dem er gemeinsam mit Carroll arbeitet, durchstehen möchte, nähert sich diese Antwort der Debatte zwischendie feldbasierte und die springende Version der inflationären Kosmologie, in der Guth (der die erstere bevorzugen mag) auf Renormalisierbarkeit besteht.


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