By: charlie madera
Una conexión enigmática entre las fuerzas de la naturaleza está permitiendo a los físicos explorar el lado cuántico de la gravedad.
Hasta donde los físicos han podido determinar, la naturaleza habla dos lenguajes mutuamente ininteligibles: uno para la gravedad y otro para todo lo demás. Las curvas en el tejido del espacio-tiempo le dicen a los planetas y a las personas en qué dirección caer, mientras que todas las demás fuerzas surgen de las partículas cuánticas.
Albert Einstein habló por primera vez de la gravedad en términos de curvas en el espacio-tiempo en su teoría general de la relatividad. La mayoría de los teóricos asumen que la gravedad en realidad nos empuja a través de partículas, llamadas gravitones, pero los intentos de reescribir la teoría de Einstein usando reglas cuánticas generalmente han producido tonterías. La brecha entre las fuerzas es profunda y parece remota una unificación total de las dos gramáticas.
En los últimos años, sin embargo, una desconcertante herramienta de traducción conocida como la “doble copia” ha demostrado ser sorprendentemente hábil para convertir ciertas entidades gravitatorias, como los gravitones y los agujeros negros, en equivalentes cuánticos mucho más simples.
“Hay un cisma en nuestra imagen del mundo, y esto está cerrando esa brecha”, dijo Leron Borsten, físico del Instituto de Estudios Avanzados de Dublín.
Si bien esta relación matemática no probada entre la gravedad y las fuerzas cuánticas no tiene una interpretación física clara, permite a los físicos realizar cálculos gravitacionales casi imposibles y sugiere una base común que subyace a todas las fuerzas.
John Joseph Carrasco , físico de la Universidad Northwestern, dijo que cualquiera que pase tiempo con la copia doble termina creyendo “que tiene sus raíces en una forma diferente de entender la gravedad”.
Gravedad contra el resto
A un lado de la división de la física fundamental se encuentran la fuerza electromagnética, la fuerza débil y la fuerza fuerte. Cada una de estas fuerzas viene con su propio portador de partículas (o portadores) y alguna cualidad a la que responde la partícula. El electromagnetismo, por ejemplo, usa fotones para empujar partículas que poseen carga, mientras que la fuerza fuerte es transmitida por gluones que actúan sobre partículas con una propiedad llamada color.
Los físicos pueden describir cualquier evento que involucre estas fuerzas como una secuencia de partículas que se dispersan entre sí. El evento podría comenzar con dos partículas acercándose y terminar con dos partículas alejándose. Hay, en principio, infinitas interacciones que pueden ocurrir en el medio. Pero los teóricos han aprendido a hacer predicciones aterradoramente precisas al priorizar las secuencias más simples y probables.
Con el procedimiento de doble copia, “reduces algo complicado a algo increíblemente simple”.
donal o’connell
Del otro lado de la línea divisoria está la gravedad, que se rebela contra este tipo de trato.
Los gravitones reaccionan a sí mismos, generando ecuaciones en bucle similares a las de Escher. También proliferan con una promiscuidad que haría sonrojar a un conejito. Cuando los gravitones se mezclan, puede surgir cualquier número de ellos, lo que complica el esquema de priorización utilizado para otras fuerzas. Simplemente escribir las fórmulas para asuntos gravitacionales simples es una tarea ardua.
Pero el procedimiento de doble copia sirve como una aparente puerta trasera.
Zvi Bern y Lance Dixon , más tarde se unieron a Carrasco y Henrik Johansson , desarrollaron el procedimiento en la década de 2000, avanzando en trabajos más antiguos en teoría de cuerdas , un candidato a teoría cuántica de la gravedad. En la teoría de cuerdas, los bucles en forma de O que representan gravitones actúan como pares de cuerdas en forma de S que corresponden a portadores de otras fuerzas. Los investigadores descubrieron que la relación también se mantiene para las partículas puntuales, no solo para las cadenas hipotéticas.
En la suma de todas las interacciones posibles que podrían ocurrir durante un evento de dispersión de partículas, el término matemático que representa cada interacción se divide en dos partes, al igual que el número 6 se divide en 2 × 3. La primera parte captura la naturaleza de la fuerza en cuestión; para la fuerza fuerte, este término se relaciona con la propiedad llamada color. El segundo término expresa el movimiento de partículas: la “cinemática”.
Para realizar la copia doble, desecha el término de color y lo reemplaza con una copia del término cinemático, convirtiendo 2 × 3 en 3 × 3. Si 6 describe el resultado de un evento de fuerza fuerte, entonces la copia doble nos dice que 9 coincidirá con algún evento de gravitón comparable.
La copia doble tiene un talón de Aquiles: antes de ejecutar el procedimiento, los teóricos deben reescribir el término cinemático extra en una forma que se parece al término de color. Este reformateo es difícil y puede que no siempre sea posible ya que la suma se refina para incluir interacciones cada vez más complicadas. Pero si la cinemática lo permite, obtener el resultado de la gravedad es tan fácil como cambiar 2 × 3 a 3 × 3.
¿Nos está diciendo algo importante y primario, o es algún truco?
Juan José Carrasco
“Una vez que te has dado cuenta de esta relación, la gravedad viene gratis”, dijo Borsten.
El procedimiento no tiene mucho sentido físico, ya que los gravitones no son literalmente pares de gluones. Pero es un poderoso atajo matemático. Desde que desarrolló la copia doble, Bern ha aprovechado el almuerzo con un descuento masivo para desafiar la sabiduría convencional de que todas las teorías de partículas de la gravedad dan respuestas infinitas y sin sentido.
Bern, Carrasco y otros han pasado años trabajando en una teoría exótica llamada supergravedad, que equilibra los gravitones con partículas compañeras de una manera matemáticamente agradable. Usando la copia doble, han completado cálculos de supergravedad cada vez más precisos. Si bien la supergravedad es demasiado simétrica para reflejar nuestro mundo, su simplicidad la convierte en la manzana más baja del árbol de las posibles teorías de partículas de la gravedad. Bern y compañía esperan extender sus éxitos computacionales a teorías más realistas.
Ver doble en agujeros negros
Alentados por el éxito de la copia doble al tratar con gravitones, las ondas más pequeñas posibles en el espacio-tiempo, Donal O’Connell de la Universidad de Edimburgo y Ricardo Monteiro y Chris White de la Universidad Queen Mary de Londres lo han utilizado para reimaginar el truco más extremo. en el repertorio de la gravedad.
Es bien sabido que los agujeros negros deforman el espacio-tiempo con la suficiente intensidad como para atrapar la luz, y los agujeros negros giratorios arrastran consigo el tejido deformado del espacio-tiempo. Las ecuaciones son súper complicadas. Si observa las ecuaciones de un agujero negro giratorio, “probablemente le sangren los ojos”, dijo O’Connell.
Los investigadores dividieron el espacio-tiempo deformado del agujero negro en dos partes: espacio-tiempo plano y un término que representa una fuerte desviación de la planitud. Entonces, explicó Monteiro, se preguntaron si el término desviación es la doble copia de algo.
Está. Tanto los agujeros negros estacionarios como los giratorios actúan como si fueran copias dobles de partículas cargadas, informó el grupo en 2014 . “Reduces esta cosa complicada a algo increíblemente simple”, dijo O’Connell.
Los agujeros negros no son literalmente dos copias de electrones. Pero su relación matemática está aflojando el dominio que la teoría de la relatividad de Einstein ejerce sobre el reino gravitacional. “Mi plan maestro secreto es demostrar que puedes calcular cualquier cosa usando la copia doble que puedes calcular con las ecuaciones clásicas de Einstein”, dijo O’Connell.
Recientemente, los practicantes de la doble copia se han lanzado a la astronomía de ondas gravitacionales, la nueva disciplina que detecta objetos y eventos distantes por medio de las ondas que generan en el espacio-tiempo. En solo unos años, Bern y sus colegas han utilizado el atajo para hacer predicciones de ondas gravitacionales que ya rivalizan con los cálculos más avanzados de la relatividad general.
Un lenguaje común
La copia doble ha revelado un lado oculto y más simple de la gravedad, pero incluso los teóricos que han dedicado sus carreras a explorar la relación se preguntan de dónde viene la simplicidad.
“¿Nos está diciendo algo importante y primario, o es algún truco?” dijo Carrasco.
Los investigadores notan que el electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte se derivan directamente de un tipo específico de simetría, un cambio que no cambia nada en general (la forma en que rotar un cuadrado 90 grados nos devuelve el mismo cuadrado).
Curiosamente, cuando se reescribe con la copia doble, la gravedad parece obedecer a una simetría similar a la de las tres fuerzas cuánticas. Es “como si hubiera una cuarta simetría madre”, dijo O’Connell, “una simetría subyacente a todo”.
El camino hacia una teoría completa de la gravedad cuántica es largo e incierto, y es posible que la copia doble no conduzca hasta allí. Pero su capacidad para atravesar la palabrería que llena los cálculos da a los teóricos la esperanza de que las dos formulaciones en duelo de la física moderna no sean la historia final. “Este es un ejemplo sorprendente de que hay idiomas para aprender que no se manifiestan en la forma en que tradicionalmente hablamos de teorías”, dijo Carrasco.
