Teoría de cuerdas VS gravedad cuántica de bucles

Rememorando un capítulo de The Big Bang Theory , me ha venido a la cabeza un buen tema: la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles.

La teoría que falta

A comienzos del siglo XX se produjo un cambio radical en toda la física. 

Las teorías clásicas que hasta ese momento se creía explicaban todo el mundo dieron paso a una mentalidad completamente diferente que condujo a la formulación de la mecánica cuántica y la relatividad, los dos grandes pilares de nuestra física actual.

 Con estas dos teorías se pudo explicar los fenómenos conocidos 

y se predijo muchos otros nuevos.

Sin embargo, todavía falta algo… Estas dos teorías no son coherentes entre sí.

 No se pueden juntar en una sola… y las dos se deben relegar a predicciones en su entorno (la mecánica cuántica al mundo microscópico y la relatividad al mundo cosmológico) 

en el cual funcionan muy bien.

Esto ya indica que nos falta una teoría “superior” que cubra a estas dos, de forma que explique TODO (por eso se la llama teoría del todo, o teoría M).

Durante este siglo se ha intentado encontrar esta teoría, aunque solo se han encontrado fracasos, y aquí es donde entran en juego estas dos teorías.

La teoría de cuerdas

Esta teoría (que ha derivado en la teoría de supercuerdas) se formuló inicialmente en 1974, con una hipótesis inicial maravillosa: en vez de suponer que las partículas elementales son puntuales o esféricos (1º aproximación que se realiza en física siempre), supongamos que son cuerdas, de forma que éstas pueden vibrar, girar, etc.

Esta hipótesis que en principio no parece mucho, provoca una reinterpretación completa y profunda de la naturaleza, dando lugar a hechos completamente nuevos, a la vez que la han convertido en una teoría muy compleja.

Entre los logros más importantes que ha tenido, se encuentra que de un soplido ha podido derribar la distinción que existe entre partículas y fuerzas (que desde hace muchos años se intenta conocer por qué hay esas dos “formas” tan diferentes), explicando perfectamente que éstas son dos formas de vez una misma cosa (simplificando todo, las partículas serían los extremos de las cuerdas y las fuerzas la “cuerda” que une estos dos extremos).

Sin embargo, la teoría de cuerdas para poder obtener un Universo como el que conocemos (con galaxias, estrellas, vecinos gritando, bacterias, átomos y electrones, …) requiere que existan 11 dimensiones. 

Así que primer problema: ¿dónde se han escondido las 7 que no vemos?. 

Y por otro lado, el que es el mejor ejemplo del fracaso de esta teoría (al menos como está formulada/interpretada actualmente) es que no realiza ni una sola predicción. 

Si algo no cuadra, se ajusta para explicar dicho fenómeno con más que aumentar el número de partículas predichas o cambiar el valor de varias constantes universales, 

y nunca se tiene nada “completo” para poder formular hechos nuevos no previstos

 por las teorías anteriores, lo que la convierte en una teoría que no se puede probar.

Gravedad cuántica de bucles

Al otro lado actualmente ha surgido otra teoría, que si bien todavía no tiene grandes apoyos ni surge de una hipótesis tan “maravillosa”, está consiguiendo grandes resultados.

La gravedad cuántica de bucles, surgió de una simple reformulación de la relatividad realizada por Abhay Ashtekar en 1986, el cual consiguió, sin introducir ninguna novedad respecto a la relatividad, reformular toda la teoría con unas nuevas variables, consiguiendo describir un espacio cuántico a partir de ésta.

Más tarde, también se introdujo una nueva hipótesis a la relatividad de forma que pudiera conjugarse con la mecánica cuántica: análogamente a la existencia de una velocidad máxima (la de la luz), que existiese una distancia mínima: la de Planck, predicción hecha por la cuántica.

Estos dos aportes y algunos otros derivaron en la gravedad cuántica de bucles, la cual va consiguiendo (todavía está en pleno crecimiento, al contrario de las cuerdas que ya pasaron la “madurez” hace tiempo) confeccionar una teoría que conjuga los dos grandes mundos (el microscópico y el cosmológico). 

Como logros, cuenta con la eliminación de las singularidades que produce la relatividad en el interior de los agujeros negros así como en el Big Bang, lo que añade una explicación donde la relatividad dejaba de funcionar.

También ha conseguido formular una teoría cuántica independiente del fondo, lo cual había resultado imposible hasta ahora: la cuántica había que formularla con un fondo bien definido de partida, pero este, por la relatividad, evoluciona dinámicamente en presencia de materia, lo cual limitaba a la cuántica en este terreno.

Además, y como principal ventaja frente a la T de cuerdas, está que ésta sí ha comenzado a realizar varias predicciones, las cuales serán puestas a prueba próximamente en el LHC o en las imágenes del fondo cósmico de microondas.

Puede que la G.C. de bucles no sea finalmente la teoría que explique todo, pero de momento parece ser nuestra mejor opción y habrá que seguir sus avances.

La tendencia actual que se sigue en el ámbito de la teoría de cuerdas puede tener trágicas consecuencias si la verdad se encuentra en una dirección que exige el replanteamiento radical del modo de entender nuestros conceptos fundamentales del espacio, 

el tiempo y el mundo cuántico. 

. Se plantean los cinco grandes problemas de la física teórica, se habla en profundidad sobre la teoría de cuerdas y sobre gravedad cuántica, pero sobre todo nos explica lo que es y lo que no es la ciencia. Los cinco grandes problemas se enumeran de la siguiente forma:

Problema 1: combinar la teoría de la relatividad general y la teoría cuántica en una única teoría que pueda afirmar ser una teoría completa de la naturaleza.
Problema 2: resolver los problemas de los fundamentos de la mecánica cuántica, sea haciendo que la teoría tenga sentido en su formulación actual, sea inventando una nueva teoría que tenga sentido.
Problema 3: determinar si las diversas partículas e interacciones pueden unificarse en una teoría que las explique a todas como la manifestación de una única entidad fundamental.
Problema 4: explicar cómo determina la naturaleza los valores de las constantes libres del modelo estándar de la física de partículas.
Problema 5: explicar la materia oscura y la energía oscura. O, si no existen, determinar en que modo y por qué la gravedad se modifica a grandes escalas. Y, de manera más general, explicar por qué las constantes del modelo estándar de cosmología, entre ellas la energía oscura, tiene los valores que tienen.

A diferencia de la teoría de cuerdas, en el ámbito de la gravedad cuántica no hay teorías grandiosas, ni modas ni manías, tan sólo un pequeño grupo de excelentes investigadores trabajando duro en diversas ideas muy relacionadas entre sí. Aunque se está investigando en varias direcciones, también existen algunas ideas unificadoras que proporcionan a este campo 

de estudio una coherencia general.

 La idea principal unificadora resulta sencilla de enunciar:" No hay que empezar por el espacio, ni por nada que se mueva en el espacio".

 Hay que empezar por algo que sea mecánico-cuántico puro y que, en lugar de espacio, tenga algún tipo de estructura cuántica pura.

 Si la teoría es correcta, entonces el espacio debe emerger, representando algunas propiedades medias de la estructura, en el mismo sentido en que la temperatura emerge como una representación del movimiento medio de los átomos.

Más allá de los agujeros negros

Mediante la gravedad cuántica de bucles se ha podido ir más allá en los agujeros negros de lo que se ha llegado en otras teorías físicas. Proporciona cálculos que prueban que las singularidades en el interior de los agujeros negros se eliminan. El tiempo puede continuar más allá del punto en el que la relatividad general clásica predijo que debía terminar y parece que se dirige a unas regiones recién creadas del espacio-tiempo. 

Siguiendo con la gravedad cuántica, el físico hindú Abhay Ashtekar en 1986 reformuló de modo revolucionario la teoría general de la relatividad, sin introducir información adicional, mediante la mera reescritura de la teoría de Einstein según un nuevo conjunto de variables demostró que se podía derivar, con precisión, lo que es un espacio cuántico. 

Había nacido la llamada gravedad cuántica de bucles. Consiste en describir un campo haciendo referencia a sus líneas de campo, en ausencia de materia las líneas de campo pueden cerrarse sobre sí mismas formando un bucle. Mientras la teoría de cuerdas consiste en el desarrollo de este concepto en un contexto de fondo fijo de espacio y tiempo, la gravedad cuántica desarrolla una teoría totalmente independiente del fondo, pues las propias líneas del campo describen la geometría del espacio, la forma de secuencias cambiantes que va adoptando. Una vez que las líneas se transforman en mecánico-cuánticas ya no queda ninguna geometría clásica de fondo, la geometría cuántica resultante consiste en un cierto tipo de gráfico que evoluciona mediante cambios locales en su estructura.

El mayor desafío es explicar a partir de ideas tan abstractas cómo emerge el espacio-tiempo clásico. En los últimos años gracias a nuevos procedimientos de aproximación se ha demostrado que la teoría tiene estados cuánticos que describen universos donde la geometría, en una aproximación correcta, es clásica. Recientemente, también se ha descubierto que la gravedad cuántica de bucles predice que dos masas se atraerán la una a la otra exactamente del modo que especifica la ley de Newton.

Mediante la gravedad cuántica de bucles se ha podido ir más allá en los agujeros negros de lo que se ha llegado en otras teorías físicas. Proporciona cálculos que prueban que las singularidades en el interior de los agujeros negros se eliminan. El tiempo puede continuar más allá del punto en el que la relatividad general clásica predijo que debía terminar y parece que se dirige a unas regiones recién creadas del espacio-tiempo. 

La singularidad es sustituida por lo que se llama "salto del espacio-tiempo". Justo antes del salto se expande hacia el interior de una nueva región que antes no existía (agujeros blancos, tal como conjeturó John Archibald Wheeler). Aplicando cálculos similares al Universo primitivo se han encontrado pruebas de que la singularidad es eliminada antes del Big Bang, lo que significaría que el Universo ya existía antes. Por otra parte, la eliminación de la singularidad ofrece una respuesta natural a la paradoja de la pérdida de información en un agujero negro planteada por Hawking, la información no se pierde, sino que se traslada a una nueva región del espacio-tiempo.

Lo más importante de esta teoría es que es capaz de producir previsiones de observaciones reales que serán confirmadas o no por experimentos, como ha sucedido con la física desde siempre. 

Es la forma natural de avanzar paso a paso, pisando despacio pero firme para avanzar en la dirección correcta. 

En este sentido hace poco se han hecho predicciones precisas en relación con los efectos de la gravedad cuántica que podrían ser vistos en observaciones futuras del fondo cósmico de microondas.