La fuerza de gravedad es la más antigua conocida por el ser humano debido
al papel fundamental que tiene en nuestro mundo.
Define lo que es "arriba" y lo que es "abajo".
Hace que los cuerpos tiendan a caer hacia el suelo.
Nos permite caminar por la superficie de la Tierra.
Impide que la atmósfera y el aire que contiene se escapen al espacio permitiendo la vida.
Las demás fuerzas:
electromagnética, débil y fuerte están muy cerca de nosotros también.
Pero la gravedad es la más evidente y la conocida desde antes.
Y sin embargo permanece como la más esquiva para hallar un marco físico
que la describa por completo.
Fue Newton quien enunció la ley de gravitación universal según la cual la fuerza con la que dos cuerpos con masa se atraen es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, siendo la constante
de gravitación universal "G" la constante de proporcionalidad.
En otras palabras, cuanto más masivos son los dos cuerpos con mayor fuerza atrae la gravedad y cuanto más cerca están, más intensa es.
Además, se trata de una fuerza que siempre es atractiva.
Siempre hace que los objetos se atraigan entre sí de modo
que el menos masivo "cae" hacia el más masivo.
Las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza son la electromagnética,
la fuerte y la débil.
Inicialmente se pensó que la fuerza electromagnética eran dos fuerzas diferentes: eléctrica y magnética.
Pero con la evolución de la investigación en el siglo XIX especialmente
con Maxwell, Heaviside y más tarde con la Relatividad Especial quedó claro que se trataba de una única fuerza que se podía presentar en dos casos particulares dependiendo del movimiento relativo.
La fuerza electromagnética es la luz. No sólo de la luz,
sino de todas las ondas electromagnéticas desde las ondas de radio
a los rayos X. Y también, por supuesto, de la corriente eléctrica debida
al flujo de electrones en un conductor.
Según la Física Clásica, la fuerza electrostática
(es decir, sin considerar magnetismo) se parece bastante a la gravedad.
La fuerza que siente una carga es igual al producto de las cargas dividido
por el cuadrado de la distancia.
Igual que la fuerza de gravedad según la ley de Newton.
Con la salvedad de que las cargas pueden tener dos signos y por tanto
la fuerza electrostática puede ser atractiva o repulsiva.
La constante de proporcionalidad es de un orden de magnitud
enorme comparado con la "G" de la ley de Newton.
Esto significa que cargas muy pequeñas pueden sentir fuerzas comparativamente grandes, si se considera un escenario análogo
en el caso gravitatorio.
Además, se pueden definir materiales "conductores"
como aquellos que permiten el flujo de corriente eléctrica a su través
y materiales "aislantes" para los que no lo permiten.
Así a priori encontramos tres diferencias cruciales con la fuerza de la gravedad.
Las masas sólo son positivas y por tanto la gravedad únicamente es atractiva.
Este hecho impide que existan objetos "neutros" desde un punto de vista de la masa y no pueden haber materiales que aíslen del campo gravitatorio.
Unido al hecho de que la gravedad es la fuerza menos intensa de todas,
debido a que "G" es muy pequeña, hace que sea muy difícil medirla
con precisión.
Por eso aún hoy, la constante "G" es la que está medida con menor
precisión a pesar de que es la constante fundamental de la naturaleza
que se conoce desde más tiempo.
Desde el punto de vista de la teoría clásica de campos,
la gravedad se parece mucho al campo electrostático
y de hecho las trayectorias de las partículas se pueden resolver con las mismas ecuaciones.
Esto hizo que se intentase abarcar su explicación siguiendo
el mismo contexto histórico que en el electromagnetismo.
Con la mala fortuna de que debido a lo débil que es era imposible
hacer experimentos fiables para corroborar las teorías que fueran surgiendo.
Lo único que se podía hacer era adoptar el papel del observador pasivo
y usar el sistema solar como escenario para dichos experimentos,
y tratar de predecir trayectorias o calcular efemérides con precisión.
Esto supuso un evidente retraso en la evolución de la teoría que explicase
la gravedad y por eso desde Newton hasta Einstein apenas se avanzó
en este sentido.
Además, la gravedad tenía una peculiaridad desde el punto
de vista de la mecánica que es el conocido como "Principio de Equivalencia"
que comenzó a vislumbrar Galileo aunque fue Einstein quien
le dió forma finalmente. Y es que si estar inmersos en un campo gravitatorio
es totalmente equivalente a estar en un sistema de referencia
con aceleración constante.
El clásico ejemplo del ascensor.
No seremos capaces de distinguir mediante experimentos físicos clásicos
si estamos en un campo gravitatorio con el ascensor en reposo
o si dicho campo gravitatorio no existe y el ascensor está acelerando
hacia arriba.
Cuando en 1905 Einstein publicó las bases de la relatividad especial
en dos artículos no fue capaz de encontrar un caso general en principio
y tardó 10 años más, hasta 1915 hasta que fue capaz de contextualizar
la relatividad en el caso general, es decir, incluyendo la aceleración.
Porque la Relatividad no era más que un paradigma físico, un marco,
un punto de vista en el cual las leyes de la física son invariantes
con independencia del estado de movimiento del observador.
Se rompía con las concepciones clásicas de que el tiempo era absoluto
y el espacio tridimensional.
Pero no se consideraba el caso general de un sistema acelerado
o bajo la presencia de un campo gravitatorio.
Pero precisamente, al considerar aceleraciones aparecía la gravedad
y Einstein necesitó 10 años extra para poder aprender las matemáticas necesarias para abordar el nuevo problema.
Y pese a todo, la Relatividad General, no explica la gravedad en el sentido
de explicar qué es o de donde procede.
Retoma las bases de la relatividad puesto que las leyes de la física
deben ser las mismas en todos los sistemas de referencia,
sean o no sean inerciales (principio de covariancia generalizado),
parte del principio de equivalencia que ya mencioné anteriormente
y redefine o generaliza el concepto de trayectoria en el espaciotiempo.
Porque al resolver las ecuaciones de campo de Einstein,
resulta que la métrica del espaciotiempo se ve alterada por la presencia
de masa-energía.
En palabras más mundanas, un cuerpo masivo altera
el espaciotiempo a su alrededor por el mero hecho de tener una masa.
Se puede ver de forma más o menos intuitiva que esta teoría ofrece
un punto de vista geométrico del problema, adoptando una perspectiva
más matemática que física en un principio,
sin detenerse a explicar de dónde surge la gravedad.
Simplemente aparece.
Tan sólo hubo que esperar a 1919 para encontrar el primer espaldarazo
a la Relatividad General.
En ese año se pudo predecir el valor para la precesión del perihelio de Mercurio con suma precisión (considerando la órbita elíptica,
significa que toda esta elipse a su vez "rota" muy despacio alrededor del Sol)
y se comprobó experimentalmente que cuadraba con la predicción
de la Relatividad General.
Y con los años se fue viendo que esta teoría explicaba casi todo y además,
su carácter geométrico dotaba al cosmos de un orden matemático
que recordaba a la perfección que tanto gustaba a los griegos clásicos.
El problema vino cuando, paralelamente a estos acontecimientos,
se iba desarrollando la Mecánica Cuántica
(recomiendo leer los artículos Mitos y Leyendas de Mecánica Cuántica I, II y III) y al ver que a su vez esta teoría que explicaba el paradigma opuesto
a la relatividad, es decir, el de lo infinitamente pequeño, coincidiese
con las predicciones de la Relatividad General.
Y el resultado fue, por suerte o por desgracia, un desastre completo.
Todos los intentos fracasaron.
¿Por qué dos teorías marco que explican
con mucho acierto
sus respectivos mundos,
fracasan estrepitosamente cuando se intentan unir?
Esta pregunta no tiene una respuesta clara todavía.
Sin embargo, existen explicaciones parciales.
Como por ejemplo, que durante el desarrollo de la Mecánica Cuántica
se dió por hecho que el espaciotiempo existía, estaba establecido y por tanto no había que hacer hipótesis sobre él.
Otra razón es que la gravedad es ridículamente diminuta comparada
con las otras tres fuerzas relevantes a escala cuántica.
No es posible aislar lo bastante las otras tres fuerzas como para detectar
la gravedad. Únicamente se pueden hacer mediciones indirectas
y pese a ello es muy difícil.
Porque cualquier efecto que pudiera tener la gravedad queda rápidamente enmascarado por las otras fuerzas. Nada menos que 40 órdenes de magnitud
de diferencia separan la gravedad de las demás fuerzas en cuanto a intensidad.
Y nuestra mente no alcanza para imaginar esa diferencia.
Pues bien, nos encontramos con problemas por todas partes.
Y esto no hace más que empezar.
Las otras tres fuerzas permiten explicar, al menos fenomenológicamente,
las interacciones entre partículas fundamentales
y permiten fundar el Modelo Estándar,
que es el conjunto de teorías sobre las interacciones fundamentales
que rige la Física de Partículas de hoy en día.
Mientras tanto, la gravedad sigue en otro plano, apartada.
Porque considerarla y no considerarla es lo mismo
a todos los efectos experimentales.
Así que se deshecha al campo de la Física Teórica y se deja
que sean ellos los que se peleen por una explicación acertada
que permita lograr la unificación o que la descarte para siempre.
Quizás el que Einstein renegase en un principio de la Mecánica Cuántica
impidió que durante los 30 últimos años de su vida consiguiera el objetivo tan ambicioso de unificar la Física.
Está claro que esas metas únicamente pueden marcárselas los genios,
y sin embargo fracasó. Hay quien dice que la Física no cambiaría nada
si Einstein sus últimas tres décadas de vida las hubiera dedicado a,
por ejemplo, jugar al golf.
Sin menospreciar sin embargo su labor, está claro que Einstein
no logró conseguir la unificación entre las teorías de la Física.
Algo que se había conseguido en el siglo XIX unificando la mecánica
y el electromagnetismo, no pudo ser resuelto en el siglo XX entre la mecánica cuántica y la relatividad general.
Y tal vez es que un genio como Einstein se adelantó
a su tiempo cuando todavía todo estaba demasiado "en caliente"
y le quedaba mucha rodadura todavía a las teorías cuánticas.
En los años 80 se volvió a poner de moda la unificación
y surgieron varias teorías que proponían que la materia se componía,
a escala extremadamente pequeña, de oscilaciones elementales
o cuerdas (abiertas o cerradas, como una goma o como una cuerda de guitarra), que macroscópicamente se revelaban como las distintas partículas.
Lo malo es que las condiciones de consistencia imponían espaciotiempos
de 26 dimensiones.
La pregunta es obvia
¿dónde se han metido las dimensiones que no vemos?
Puesto que el universo tiene 4 dimensiones según se comprueba.
Más o menos se salva esto si suponemos que las otras dimensiones
están enrolladas, es decir,
sólo son observables a escalas enormemente pequeñas.
Al igual que un cabello no es lineal
y tiene grosor aunque nos pueda parecer una línea.
Otro tema es justificarlo experimentalmente,
pero se puede salvar el inconveniente desde el punto de vista teórico proponiendo este aspecto sobre las dimensiones adicionales.
La teoría de cuerdas se puso de moda rápidamente
porque era matemáticamente muy elegante y tras plantear una versión supersimétrica para poder establecer una relación entre fermiones y bosones,
se llegó a las llamadas teorías de supercuerdas que agrupaban todas las variantes de las teorías de cuerdas y la supersimetría.
¿Y qué pinta la gravedad en todo esto?
Pues bien, cuando se considera que una cuerda cerrada que se mueve
por el espacio, el espectro de las oscilaciones incluye una partícula
de masa 0 y espín 2 cuya interacción es la que se predice para el "gravitón",
la partícula que sería responsable de la gravedad.
Es decir, sin haber hecho nada,
la teoría de supercuerdas nos regala una teoría cuántica
para la gravedad.
¿Demasiado bonito para ser cierto?
La realidad es que tras la euforia de los 80 y los 90 se empezó a desinflar
el globo debido a la dificultad, por no decir imposibilidad
práctica de demostrar las predicciones de la teoría de cuerdas.
Por desgracia, para que una teoría matemática se convierta en Física,
tiene que ser comprobable experimentalmente.
Y para poder llegar a la escala necesaria en energías y tamaños
haría falta un acelerador de partículas del tamaño del Sistema Solar.
Así pues, la teoría de supercuerdas que podía ser la teoría del todo,
es incomprobable experimentalmente.
El hecho de que sean 10, 11 o 26 dimensiones es secundario.
Por no hablar de los problemas que trae justificar las interacciones
entre los gravitones, las demás partículas y el espaciotiempo.
No obstante, se sigue investigando en teoría de cuerdas porque
no se pierde la esperanza de que sirva finalmente.
Y de hecho, algunas de las herramientas desarrolladas
en la teoría de supercuerdas como es el caso de la llamada correspondencia
anti de-Sitter/teoría conformal de campos (AdS/CFT)
Habida cuenta de los problemas en las teorías de supercuerdas rápidamente surgieron otros esfuerzos por lograr la unificación que estaban en desarrollo paralelamente a la teoría de cuerdas y que cuando ésta pasó de moda, rápidamente se impusieron.
El más prometedor lo abandera la Gravedad Cuántica de Bucles
(LQG en inglés) que no pretende ser una teoría del todo La LQG parte
de la interpretación geométrica de la relatividad,
heredada de los trabajos de Einstein y propone una teoría cuántica
del espaciotiempo.
Abhay Ashtekar en 1986 reformuló la relatividad general
para que admitiera un espaciotiempo cuántico.
Para que en esta reformulación se pudiera unir con la mecánica cuántica
se introduce como hipótesis que la distancia mínima es la distancia de Planck, que es una cantidad predicha por la mecánica cuántica.
¿Por qué de bucles?
Pues porque Ashtekar se basó en una teoría de campos gauge
llamada bucles de Wilson que se habían inventado para resolver el problema
del confinamiento en cromodinámica cuántica.
En este caso, los bucles de Wilson se generalizaban a las llamadas
"redes de espín" propuestas por Penrose y aplicadas por Smolin
y otros en la LQG.
En particular, esta teoría propone que el espaciotiempo
se compone de cuantos de longitud de Planck.
Esta constitución del espaciotiempo en unidades o celdas
tiene como consecuencia que si se intentase almacenar demasiada
energía en una unidad de volumen, sería rechazada dando como consecuencia
un comportamiento repulsivo para la gravedad.
Lo cual es consistente con la consideración de que a densidades
enormemente altas de energía la gravedad se pudiera comportar
con carácter repulsivo en vez de atractivo.
Esta situación nos recuerda de inmediato al Big Bang:
toda la materia y energía concentradas en un punto que de pronto explota.
Se trataría de un escenario ideal en la LQG puesto que el carácter
repulsivo de la gravedad podría ayudar a explicar que la expansión
del universo no fuera a velocidad constante.
Con la salvedad de que el universo pasaría de un estado
de compresión previo hasta alcanzar la densidad crítica para pasar posteriormente a uno de expansión, con el Big Bang.
Otro de los logros de la gravedad cuántica de bucles permite
calcular la entropía de un agujero negro.
No obstante, la LQG aún carece de "límite clásico",
es decir, conexión con la Física Clásica.
Y esto se obliga puesto que una teoría general debe incluir
y debe llevar a los resultados ya conocidos.
El límite clásico sí que lo tienen la relatividad y la mecánica cuántica,
como es lógico.
Con el LHC y el bosón de Higgs se espera avanzar en este sentido,
ya que la masa de las partículas es algo que juega un papel fundamental
como "carga" de la gravedad que es.
Y se espera que la LQG siga avanzando como teoría prometedora que es.
Como se puede ver, el problema de la gravedad sigue aún abierto.
Si fuera posible considerar los gravitones como partícula responsable
de la gravedad y trabajar con ellos como una partícula más del Modelo Estándar sería cuestión de tiempo.
Pero no se puede por todos los problemas que acarrea.
La gravedad está lejos de ser explicada tal y como lo están
las demás fuerzas de la naturaleza.
Y pese a ser la más antigua conocida por el hombre,
sigue siendo la más misteriosa.
by.migui
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