Preguntamos a cuatro físicos por qué la gravedad se destaca entre las fuerzas de la naturaleza. Tenemos cuatro respuestas diferentes.
os físicos han rastreado tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza, la fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil, hasta sus orígenes en las partículas cuánticas. Pero la cuarta fuerza fundamental, la gravedad, es diferente.
Nuestro marco actual para comprender la gravedad, ideado hace un siglo por Albert Einstein, nos dice que las manzanas caen de los árboles y los planetas orbitan estrellas porque se mueven a lo largo de curvas en el continuo espacio-tiempo. Estas curvas son la gravedad. Según Einstein, la gravedad es una característica del medio espacio-tiempo; las otras fuerzas de la naturaleza se manifiestan en ese escenario.
Pero cerca del centro de un agujero negro o en los primeros momentos del universo, las ecuaciones de Einstein se rompen. Los físicos necesitan una imagen más real de la gravedad para describir con precisión estos extremos. Esta teoría más verdadera debe hacer las mismas predicciones que las ecuaciones de Einstein hacen en todas partes.
Los físicos piensan que en esta teoría más verdadera, la gravedad debe tener una forma cuántica, como las otras fuerzas de la naturaleza. Los investigadores han buscado la teoría cuántica de la gravedad desde la década de 1930. Han encontrado ideas candidatas, en particular la teoría de cuerdas, que dice que la gravedad y todos los demás fenómenos surgen de minúsculas cuerdas vibrantes, pero hasta ahora estas posibilidades siguen siendo conjeturas y no se comprenden completamente. Una teoría cuántica de la gravedad que funcione es quizás el objetivo más elevado de la física actual.
¿Qué es lo que hace que la gravedad sea única? ¿Qué tiene de diferente la cuarta fuerza que impide a los investigadores encontrar su descripción cuántica subyacente? Le preguntamos a cuatro investigadores de gravedad cuántica diferentes. Tenemos cuatro respuestas diferentes.
La gravedad engendra singularidades
Claudia de Rham , física teórica del Imperial College de Londres, ha trabajado en las teorías de la gravedad masiva, que postulan que las unidades cuantificadas de gravedad son partículas masivas:
La teoría de la relatividad general de Einstein describe correctamente el comportamiento de la gravedad en cerca de 30 órdenes de magnitud, desde escalas submilimétricas hasta distancias cosmológicas. Ninguna otra fuerza de la naturaleza ha sido descrita con tanta precisión y en tal variedad de escalas. Con tal nivel de acuerdo impecable con experimentos y observaciones, la relatividad general podría parecer proporcionar la descripción definitiva de la gravedad. Sin embargo, la relatividad general es notable porque predice su propia caída.
La relatividad general arroja las predicciones de los agujeros negros y el Big Bang en el origen de nuestro universo. Sin embargo, las “singularidades” en estos lugares, misteriosos puntos donde la curvatura del espacio-tiempo parece volverse infinita, actúan como banderas que señalan el colapso de la relatividad general. A medida que uno se acerca a la singularidad en el centro de un agujero negro, o la singularidad del Big Bang, las predicciones inferidas de la relatividad general dejan de proporcionar las respuestas correctas. Debería hacerse cargo de una descripción más fundamental y subyacente del espacio y el tiempo. Si descubrimos esta nueva capa de la física, es posible que podamos lograr una nueva comprensión del espacio y el tiempo.
Si la gravedad fuera cualquier otra fuerza de la naturaleza, podríamos esperar probarla más profundamente mediante experimentos de ingeniería capaces de alcanzar energías cada vez mayores y distancias más pequeñas. Pero la gravedad no es una fuerza ordinaria. Intente empujarlo para que revele sus secretos más allá de cierto punto, y el propio aparato experimental colapsará en un agujero negro.
La gravedad conduce a agujeros negros
Daniel Harlow , un teórico de la gravedad cuántica del Instituto de Tecnología de Massachusetts, es conocido por aplicar la teoría de la información cuántica al estudio de la gravedad y los agujeros negros:
Los agujeros negros son la razón por la que es difícil combinar la gravedad con la mecánica cuántica. Los agujeros negros solo pueden ser una consecuencia de la gravedad porque la gravedad es la única fuerza que sienten todos los tipos de materia. Si hubiera algún tipo de partícula que no sintiera la gravedad, podríamos usar esa partícula para enviar un mensaje desde el interior del agujero negro, por lo que en realidad no sería negro.
El hecho de que toda la materia sienta la gravedad introduce una restricción en los tipos de experimentos que son posibles: cualquier aparato que construya, sin importar de qué esté hecho, no puede ser demasiado pesado, o necesariamente colapsará gravitacionalmente en un agujero negro. Esta restricción no es relevante en situaciones cotidianas, pero se vuelve esencial si intenta construir un experimento para medir las propiedades mecánicas cuánticas de la gravedad.
Nuestra comprensión de las otras fuerzas de la naturaleza se basa en el principio de localidad, que dice que las variables que describen lo que está sucediendo en cada punto del espacio, como la fuerza del campo eléctrico allí, pueden cambiar todas de forma independiente. Además, estas variables, que llamamos “grados de libertad”, sólo pueden influir directamente en sus vecinos inmediatos. La localidad es importante para la forma en que actualmente describimos las partículas y sus interacciones porque preserva las relaciones causales: si los grados de libertad aquí en Cambridge, Massachusetts, dependieran de los grados de libertad en San Francisco, es posible que podamos usar esta dependencia para lograr comunicación instantánea entre las dos ciudades o incluso enviar información hacia atrás en el tiempo, dando lugar a posibles violaciones de causalidad.
La hipótesis de la localidad se ha probado muy bien en entornos ordinarios, y puede parecer natural suponer que se extiende a distancias muy cortas que son relevantes para la gravedad cuántica (estas distancias son pequeñas porque la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas). . Para confirmar que la localidad persiste en esas escalas de distancia, necesitamos construir un aparato capaz de probar la independencia de los grados de libertad separados por distancias tan pequeñas. Un simple cálculo muestra, sin embargo, que un aparato lo suficientemente pesado como para evitar grandes fluctuaciones cuánticas en su posición, que arruinarían el experimento, ¡también será necesariamente lo suficientemente pesado como para colapsar en un agujero negro! Por lo tanto, no es posible realizar experimentos que confirmen la localidad a esta escala. Y la gravedad cuántica, por lo tanto, no tiene necesidad de respetar la localidad en escalas de longitud tales.
De hecho, nuestra comprensión de los agujeros negros hasta ahora sugiere que cualquier teoría de la gravedad cuántica debería tener sustancialmente menos grados de libertad de los que esperaríamos basándonos en la experiencia con las otras fuerzas. Esta idea está codificada en el “principio holográfico”, que dice, en términos generales, que el número de grados de libertad en una región espacial es proporcional a su área de superficie en lugar de a su volumen.
La gravedad crea algo de la nada
Juan Maldacena , un teórico de la gravedad cuántica del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, es mejor conocido por descubrir una relación similar a un holograma entre la gravedad y la mecánica cuántica:
Las partículas pueden mostrar muchos fenómenos interesantes y sorprendentes. Podemos tener la creación espontánea de partículas, el entrelazamiento entre los estados de partículas que están muy alejadas y las partículas en una superposición de existencia en múltiples ubicaciones.
En la gravedad cuántica, el propio espacio-tiempo se comporta de formas novedosas. En lugar de la creación de partículas, tenemos la creación de universos. Se cree que el entrelazamiento crea conexiones entre regiones distantes del espacio-tiempo. Tenemos superposiciones de universos con diferentes geometrías espacio-temporales.
La relatividad general es notable porque predice su propia caída.
Claudia de Rahm
Además, desde la perspectiva de la física de partículas, el vacío del espacio es un objeto complejo. Podemos imaginar muchas entidades llamadas campos superpuestos unos sobre otros y extendiéndose por el espacio. El valor de cada campo fluctúa constantemente a distancias cortas. De estos campos fluctuantes y sus interacciones, emerge el estado de vacío. Las partículas son perturbaciones en este estado de vacío. Podemos imaginarlos como pequeños defectos en la estructura del vacío.
Cuando consideramos la gravedad, encontramos que la expansión del universo parece producir más de esta materia de vacío de la nada. Cuando se crea el espacio-tiempo, simplemente se encuentra en el estado que corresponde al vacío sin ningún defecto. Cómo aparece el vacío exactamente en la disposición correcta es una de las principales preguntas que debemos responder para obtener una descripción cuántica consistente de los agujeros negros y la cosmología. En ambos casos hay una especie de estiramiento del espacio-tiempo que da como resultado la creación de más sustancia de vacío.
No se puede calcular la gravedad
Sera Cremonini , físico teórico de la Universidad de Lehigh, trabaja en teoría de cuerdas, gravedad cuántica y cosmología:
Hay muchas razones por las que la gravedad es especial. Permítanme centrarme en un aspecto, la idea de que la versión cuántica de la relatividad general de Einstein es “no renormalizable”. Esto tiene implicaciones para el comportamiento de la gravedad a altas energías.
En las teorías cuánticas, aparecen términos infinitos cuando intenta calcular cómo las partículas muy energéticas se dispersan e interactúan entre sí. En las teorías que son renormalizables, que incluyen las teorías que describen todas las fuerzas de la naturaleza distintas de la gravedad, podemos eliminar estos infinitos de una manera rigurosa agregando apropiadamente otras cantidades que los cancelen efectivamente, los llamados contraterminos. Este proceso de renormalización conduce a respuestas físicamente sensibles que concuerdan con los experimentos con un grado muy alto de precisión.
El problema con una versión cuántica de la relatividad general es que los cálculos que describirían interacciones de gravitones muy energéticos, las unidades cuantificadas de gravedad, tendrían infinitos términos infinitos. Necesitaría agregar infinitos contraterminos en un proceso interminable. La renormalización fallaría. Debido a esto, una versión cuántica de la relatividad general de Einstein no es una buena descripción de la gravedad a energías muy altas. Debe faltar algunas de las características e ingredientes clave de la gravedad.
Sin embargo, todavía podemos tener una descripción aproximada perfectamente buena de la gravedad a energías más bajas utilizando las técnicas cuánticas estándar que funcionan para las otras interacciones en la naturaleza. El punto crucial es que esta descripción aproximada de la gravedad se descompondrá en alguna escala de energía, o de manera equivalente, por debajo de cierta longitud.
Por encima de esta escala de energía, o por debajo de la escala de longitud asociada, esperamos encontrar nuevos grados de libertad y nuevas simetrías. Para capturar estas características con precisión, necesitamos un nuevo marco teórico. Aquí es precisamente donde entra la teoría de cuerdas o alguna generalización adecuada: según la teoría de cuerdas, a distancias muy cortas, veríamos que los gravitones y otras partículas son objetos extendidos, llamados cuerdas. Estudiar esta posibilidad puede enseñarnos lecciones valiosas sobre el comportamiento cuántico de la gravedad.
