En la teoría actual de campos cuánticos, la causalidad se define típicamente por la desaparición de conmutadores de campo para separaciones espaciales. Dos investigadores de la Universidad de Massachusetts y la Universidade Federal Rural en Río de Janeiro han llevado a cabo recientemente un estudio que analiza y sintetiza algunos de los aspectos clave de la causalidad en la teoría cuántica de campos. Su papel publicado en Physical Review Letters, es el resultado de su investigación de una teoría de la gravedad cuántica comúnmente conocida como "gravedad cuadrática".

"Como los ingredientes del modelo estándar, la gravedad cuadrática es una teoría de campo cuántico renormalizable, pero tiene algunas propiedades peculiares, "John Donoghue, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "La pequeña violación de la causalidad es la más importante de estas y nuestro objetivo era comprender esto mejor. En el proceso, nos dimos cuenta de que algunas de las ideas son de interés más general y decidimos escribir nuestra comprensión como una carta de revisión física, para compartir estos conocimientos de manera más amplia ".

El artículo escrito por Donoghue y su colega Gabriel Menezes sintetiza muchos aspectos diferentes de la causalidad que han sido parte de la teoría cuántica de campos durante varias décadas. La comprensión de que puede haber violaciones microscópicas de la causalidad en ciertas teorías se remonta a la década de 1960, específicamente al trabajo de los físicos T.D. Lee y G.C. Mecha. En su estudio, sin embargo, Donoghue y Menezes también se inspiraron en un estudio más reciente realizado por Donal O'Connell, Benjamin Grinstein y Mark B. Wise.

Hasta aquí, la mayoría de las discusiones teóricas sobre la causalidad, específicamente la "flecha del tiempo, "han afirmado que las leyes de la física no tienen ninguna preferencia por el flujo del tiempo. Sin embargo, esta suposición particular no es aplicable a la física cuántica, donde está presente una dirección para los efectos causales.

"Los diversos factores de I en los procedimientos de cuantificación están relacionados con la dirección de la acción causal, que conduce a la 'flecha de la causalidad' en la física cuántica, "Explicó Donoghue." Esta conexión no se discute muy a menudo ".

Donoghue y Menezes estaban intrigados por el hecho de que el sentimiento macroscópico de causalidad, que también es aplicable a la física clásica, se debe a la estructura subyacente de la teoría cuántica. En su artículo reciente, Por tanto, examinaron más a fondo este aspecto particular de la causalidad, con el fin de obtener información sobre su significado e implicaciones.

"La idea de que puede haber flechas de causalidad en duelo dentro de la misma teoría es aún más oscura, "Dijo Donoghue." Sin embargo, sucede en un escenario muy simple donde el lagrangiano de la teoría tiene más poderes de derivadas de lo habitual. Esto es lo que sucede en la gravedad cuadrática, pero también podría suceder en otras teorías ".

Aunque la dirección de la influencia causal es una convención asociada con la elección de una descripción de la medición del tiempo, su existencia es un requisito necesario basado en las leyes de la física cuántica. En este contexto, Donoghue y Menezes observaron que la flecha de la causalidad puede potencialmente ser violada por tener convenciones en conflicto.

“Quizás la implicación más importante de nuestro estudio es que recopilamos evidencia de incertidumbre causal debido a las fluctuaciones del espacio-tiempo que pueden surgir en una teoría cuántica de la gravedad, ", Dijo Menezes." Esto nos proporcionaría una comprensión intuitiva profunda de los orígenes de la causalidad ".

Hace aproximadamente una década, O'Connell, Grinstein y Wise llevaron a cabo un estudio que se basó parcialmente en una serie de conferencias de Sidney Coleman. Sugirieron específicamente que en una descripción de paquetes de ondas de un proceso de dispersión con flechas causales mixtas, se puede verificar que los productos de desintegración pueden detectarse antes de lo que se esperaría desde el momento de la producción y la probabilidad de detección asociada disminuye exponencialmente hacia atrás en el tiempo. En su estudio, Donoghue y Menezes examinaron esta idea más a fondo.

"Una implicación de nuestro estudio es que, si bien las ideas presentadas por O'Connell y sus colegas, así como otros equipos de investigación, podría en principio ser observado, no hay conflicto con los experimentos en el caso de la gravedad, ya que el fenómeno ocurre a energías del orden de la escala de Planck, que es 15 órdenes de magnitud mayor que el rango de energía accesible al LHC, "Dijo Menezes.

El reciente estudio de Donoghue y Menezes ofrece una discusión general y valiosa de la causalidad y la flecha de la causalidad, centrándose específicamente en cómo una teoría determinada puede tener flechas hacia adelante y hacia atrás. Esta discusión toca el tema de la inversión del tiempo en la teoría de campos, por lo que podría informar una variedad de estudios de física. También podría ayudar a aclarar la teoría cuántica de la gravedad cuadrática, que todavía tiene muchas preguntas sin respuesta.

En general, Donoghue y Menezes sugieren que las convenciones mixtas en las teorías físicas individuales podrían de hecho ser posibles y que los estudios futuros deberían explorar este tema más a fondo. Los investigadores ahora están trabajando en un proyecto destinado a explorar completamente el fenómeno de la incertidumbre de causalidad debido a las fluctuaciones cuánticas del campo gravitacional.

"Hay algunas otras consideraciones técnicas que debemos abordar con respecto a esta descripción de la gravedad cuántica como una teoría de campo cuántico renormalizable, "Dijo Menezes." Uno de ellos se refiere a la estabilidad de la gravedad cuadrática en fondos curvos, que ya ha sido estudiado por otros autores. Con suerte, estos también serán parte de este trabajo futuro. En todo caso, la investigación más intrigante que esperamos realizar será el estudio del efecto de la incertidumbre causal en el Universo primitivo ".

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