Independência de fundo - Background independence

A independência de fundo é uma condição na física teórica , que requer que as equações definidoras de uma teoria sejam independentes da forma real do espaço - tempo e do valor de vários campos dentro do espaço-tempo. Em particular, isso significa que deve ser possível não se referir a um sistema de coordenadas específico - a teoria deve ser livre de coordenadas . Além disso, as diferentes configurações de espaço-tempo (ou fundos) devem ser obtidas como diferentes soluções das equações subjacentes.

Descrição

A independência de fundo é uma propriedade vagamente definida de uma teoria da física. Grosso modo, ele limita o número de estruturas matemáticas usadas para descrever o espaço e o tempo que são postas em prática "manualmente". Em vez disso, essas estruturas são o resultado de equações dinâmicas, como as equações de campo de Einstein , de modo que se pode determinar a partir de primeiros princípios que forma devem assumir. Uma vez que a forma da métrica determina o resultado dos cálculos, uma teoria com independência de fundo é mais preditiva do que uma teoria sem ela, uma vez que a teoria requer menos entradas para fazer suas previsões. Isso é análogo a desejar menos parâmetros livres em uma teoria fundamental.

Portanto, a independência de fundo pode ser vista como uma extensão dos objetos matemáticos que deveriam ser previstos da teoria para incluir não apenas os parâmetros, mas também as estruturas geométricas. Resumindo isso, Rickles escreve: "As estruturas de fundo são contrastadas com as dinâmicas, e uma teoria independente de fundo possui apenas o último tipo - obviamente, as teorias dependentes de fundo são aquelas que possuem o primeiro tipo além do último tipo."

Na relatividade geral , a independência de fundo é identificada com a propriedade de que a métrica do espaço-tempo é a solução de uma equação dinâmica. Na mecânica clássica , esse não é o caso, a métrica é fixada pelo físico para coincidir com as observações experimentais. Isso é indesejável, uma vez que a forma da métrica impacta as previsões físicas, mas não é ela própria prevista pela teoria.

Independência do fundo do manifesto

A independência do plano de fundo manifesto é principalmente uma exigência estética, e não física. É análogo e intimamente relacionado a exigir na geometria diferencial que as equações sejam escritas de uma forma que seja independente da escolha de gráficos e embeddings de coordenadas. Se um formalismo independente de fundo estiver presente, ele pode levar a equações mais simples e elegantes. No entanto, não há conteúdo físico em exigir que uma teoria seja manifestamente independente de fundo - por exemplo, as equações da relatividade geral podem ser reescritas em coordenadas locais sem afetar as implicações físicas.

Embora fazer uma propriedade se manifestar seja apenas estético, é uma ferramenta útil para garantir que a teoria realmente tenha essa propriedade. Por exemplo, se uma teoria é escrita de uma maneira manifestamente invariável de Lorentz, pode-se verificar a cada etapa para ter certeza de que a invariância de Lorentz é preservada. Tornar uma propriedade manifesta também deixa claro se a teoria realmente possui ou não essa propriedade. A incapacidade de tornar a mecânica clássica manifestamente invariante de Lorentz não reflete uma falta de imaginação por parte do teórico, mas sim uma característica física da teoria. O mesmo vale para tornar a mecânica clássica ou o eletromagnetismo independentes de fundo.

Teorias da gravidade quântica

Por causa da natureza especulativa da pesquisa da gravidade quântica, há muito debate quanto à implementação correta da independência de fundo. Em última análise, a resposta deve ser decidida por experimento, mas até que os experimentos possam sondar os fenômenos da gravidade quântica, os físicos terão que se contentar com o debate. Abaixo está um breve resumo das duas maiores abordagens de gravidade quântica.

Os físicos estudaram modelos da gravidade quântica 3D, que é um problema muito mais simples do que a gravidade quântica 4D (isso ocorre porque, em 3D, a gravidade quântica não tem graus locais de liberdade). Nestes modelos, existem amplitudes de transição diferentes de zero entre duas topologias diferentes, ou em outras palavras, a topologia muda. Este e outros resultados semelhantes levam os físicos a acreditar que qualquer teoria quântica consistente da gravidade deve incluir a mudança de topologia como um processo dinâmico.

Teoria das cordas

A teoria das cordas é geralmente formulada com a teoria da perturbação em torno de um fundo fixo. Embora seja possível que a teoria definida desta forma seja localmente invariante ao fundo, se for assim, ela não é manifesta e não está claro qual é o significado exato. Uma tentativa de formular a teoria das cordas de uma maneira manifestamente independente de antecedentes é a teoria do campo de cordas , mas pouco progresso foi feito em sua compreensão.

Outra abordagem é a dualidade AdS / CFT conjecturada, mas ainda não comprovada , que se acredita fornecer uma definição completa e não perturbativa da teoria das cordas em espaços - tempos com assintóticas anti-de Sitter . Nesse caso, isso poderia descrever uma espécie de setor de superseleção da suposta teoria independente de fundo. Mas ainda estaria restrito aos assintóticos espaciais anti-de Sitter, o que discorda das observações atuais de nosso Universo. Uma definição não perturbativa completa da teoria em fundos de espaço-tempo arbitrários ainda está faltando.

A mudança da topologia é um processo estabelecido na teoria das cordas .

Gravidade quântica de loop

Uma abordagem muito diferente da gravidade quântica chamada de gravidade quântica em loop é totalmente não perturbativa e manifestamente independente do fundo: quantidades geométricas, como área, são previstas sem referência a uma métrica de fundo ou assintótica (por exemplo, não há necessidade de uma métrica de fundo ou anti -de Sitter assintóticos), apenas uma determinada topologia .

Veja também

Referências

Leitura adicional