¿Por qué nos empeñamos en tener una teoría cuántica de la gravedad? ¿Por qué llevamos ya casi un siglo persiguiendo esta teoría sin mucho éxito?
Estas son preguntas que subyacen a la actividad investigadora en el campo de la gravedad cuántica. En esta entrada no hablaremos de supercuerdas, ni de loop quantum gravity, ni de geometrías no conmutativas, ni de triangulaciones dinámicas o de cualquier otra propuesta de gravedad cuántica. Lo que encontraremos en esta entrada es una discusión sobre las motivaciones esenciales que nos llevan a investigar en este campo. Dejaremos para una siguiente entrada el tema de los puntos fuertes, los puntos débiles y cómo ha sido productiva esta investigación.
Intentaremos que la discusión, al igual que las entradas anteriores, sea muy sencilla y no utilizar formalismo o tecnicismos, que por otra parte abundan en este campo.
La gravedad
Sin lugar a duda la gravedad es la interacción que más familiar nos resulta. Las cosas caen hacia el suelo de manera natural. De hecho podemos considerar que la primera interacción descrita en términos matemáticos fue precisamente la gravedad. Newton fue capaz de dar una imagen de la gravedad en términos de fuerzas.
Hoy día sabemos que la gravedad no es una fuerza sino una consecuencia del
comportamiento geométrico del espaciotiempo en presencia de otros campos físicos como partículas o los campos electromagnéticos, débiles o fuertes. Einstein, con su relatividad general, puso encima de la mesa que el espaciotiempo es una entidad que es sensible al contenido energético de cada cosa que está definida en su seno. La idea general es que el espaciotiempo se configura geométricamente en virtud del contenido y distribución de la energía del resto de campos definidos en él. A su vez los campos y las partículas se mueven por el espaciotiempo siguiendo la geometría que este tenga.
Como vemos es un problema nada simple. Para saber la geometría del espaciotiempo tenemos que saber qué campos hay y qué energía tiene y cómo está distribuida y para saber cómo se mueven (qué dinámica tienen dirían los físico) estos campos o partículas tenemos que saber la geometría del espaciotiempo.
Lo cuántico
Desde el inicio de la mecánica cuántica nos regaló sorpresas. Tuvimos que aprender a que las cosas no tenían posiciones y velocidades físicas. Que cuando realizábamos un experimento no había sólo un resultado posible dónde cada uno de dichos resultados aparecía con una determinada probabilidad. La cuántica nos enseñó a calcular dichas probabilidades y lo hizo muy bien.
Además aprendimos que para estudiar la estructura íntima de la materia, su constitución esencial teníamos que recurrir a las leyes cuánticas. Actualmente tres de las cuatro interacciones conocidas, el electromagnetismo, la interacción débil y la interacción fuerte tienen formulaciones cuánticas. Hemos aprendido que las partículas se pueden crear y destruir, que las interacciones se pueden entender como el intercambio de una partículas llamadas bosones mensajeros, etc.
Sin embargo, aún no ha sido posible poner encima de la mesa una teoría consistente de la gravedad en términos cuánticos. ¿Propuestas?
Muchas. ¿Respuestas definitivas? Ninguna.
¿Por qué queremos una teoría cuántica de la gravedad?
Esta es una pregunta muy pertinente. Si todas nuestras teorías más fructíferas desde el punto de vista del acuerdo teórico/experimental no necesitan de la gravedad cuántica. ¿Por qué nos empeñamos?. En esta ocasión enumeraremos las motivaciones para buscar una teoría de la gravedad cuántica.
1.- ¿Por qué no?
Esta es una de mis preferidas. Si todas las interacciones no gravitatorias han sido formuladas en términos cuánticos. ¿Por qué la gravedad debería de ser diferente?
Se puede considerar que este es el motivo del orgullo. La cuestión ya ha trascendido al interés científico y ha tocado el orgullo de, poniéndome melodramático, la humanidad. Se puede considerar que este es el problema más elusivo al que se enfrente la física. Desde los mismos inicios de la teoría cuántica gente como Dirac, Heisenberg, Pauli, Jordan y otros angelitos pasando por Feynman, Wheeler, etc se han planteado este problema.
2.- Origen del universo y agujeros negros
En nuestra escala la gravedad es una interacción muy muy débil. Tenemos que tener masas del tamaño de planetas para sentir sus efectos. Todos hemos visto que en la Luna los astronautas saltaban como si nada debido a que su gravedad es mucho menor que la de la tierra.
Además cuando uno estudia cosas cuánticas, como el átomo de Hidrógeno o aún en los aceleradores de partículas la gravedad tiene poco o nada que decir. Hacemos predicciones muy buenas acerca de estas cosas sin tener en cuenta la gravedad.
Sin embargo pasa una cosa interesante con la propia teoría que describe la gravedad, la relatividad general. Esta teoría nos dice que hay situaciones en las que la densidad de energía es tan grande que la relatividad general no puede decir nada acerca de lo que ocurre en esos fenómenos. Situaciones de este tipo son el origen del universo o los agujeros negros. Cuando enchufamos los datos de estos objetos o situaciones a la relatividad general esta nos escupe un infinito en algunas magnitudes físicas. Esta es la forma que tiene una teoría de decirnos: “Lo siento pero no puedo responder a esta pregunta, necesitas una teoría mejor que yo” . Esto es lo que los físicos llaman una singularidad.
Y resulta que al estudiar el big bang o los agujeros negros nos damos cuenta de que las condiciones son tales que nos piden, por consistencia con las teorías que sabemos que funcionan, que empleemos la teoría cuántica aplicada a la gravedad para poder describir esos fenómenos. Esta es una motivación magnífica para estudiar este tema.
3.- Unificación
Los físicos están plenamente convencidos de que las cuatro interacciones que tenemos actualmente controladas: electromagnetismo, débil, fuerte y gravedad, en algún momento de la historia del universo, en su origen, debieron ser una única interacción. Conforme las condiciones energéticas del universo fueron apaciguándose haciéndose más frío conforme se expandía estas interacciones se fueron diferenciando unas de otras.
Tenemos indicios muy potentes de esto, por ejemplo en las energías en las que operan los aceleradores de partículas más famosos de la actualidad, por ejemplo el LHC (como en su momento LEP), la interacción electromagnética y la débil se comporta como una única interacción. Es decir, en este contexto no hablamos de electromagnetismo o interacción débil sino de interacción electrodébil, una unificación.
Si queremos tener una teoría que unifique las cuatro interacciones en una única necesariamente tenemos que disponer de una teoría cuántica de la gravedad. No puede ser de otra forma ya que las interacciones débil y fuerte sólo pueden ser formuladas en términos cuánticos. Así que esta es otra motivación genial para estudiar e investigar en gravedad cuántica.
En próximas entradas veremos qué problemas hay para cuantizar la gravedad, y qué hemos ganado en el intento de conseguir justamente eso.
Nos seguimos leyendo…
