Una nueva teoría sugiere que la unificación entre la física cuántica y la relatividad general ha eludido a los científicos durante 100 años porque enormes “fluctuaciones” en el espacio y el tiempo significan que la gravedad no seguirá las reglas cuánticas.
Desde principios del siglo XX, dos teorías revolucionarias han definido nuestra comprensión fundamental de la física que gobierna el universo. Física cuántica describe la física de lo pequeño, a escalas más pequeñas que el átomo, y nos dice cómo las partículas fundamentales como electrones y los fotones interactúan y son gobernados. Relatividad generalpor otro lado, describe el universo a escalas tremendas, contándonos cómo se mueven los planetas alrededor de las estrellas, cómo estrellas puede morir y colapsar al nacer agujeros negrosy cómo las galaxias se agrupan para formar las estructuras más grandes del cosmos.
Desde su desarrollo, estas dos teorías se han vuelto más sólidas y han reforzado la ciencia con su tremendo éxito. La mecánica cuántica ha demostrado que el mundo cuántico está repleto de aspectos contrarios a la intuición, como la existencia de sistemas simultáneamente en estados contradictorios o partículas que se influyen instantáneamente entre sí, incluso en extremos opuestos del universo. Mientras tanto, la relatividad general ha revelado que el tejido mismo del espaciotiempo está moldeado por la materia que se asienta sobre él, y que las interacciones violentas entre cuerpos de gran masa pueden crear ondas en el espacio-tiempo conocidas como ondas gravitacionales que puede viajar por miles de millones de años luz lavarse Tierra.
Sin embargo, hay un problema, una nube oscura que se cierne sobre estas disciplinas: a medida que estos dos pilares de la física se perfeccionan, los científicos todavía son incapaces de salvar el abismo que los separa.
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“Los dos pilares de la física moderna son inconsistentes entre sí, lo que significa que existe una contradicción fundamental que se encuentra en la base misma de nuestras leyes de la naturaleza”, dijo el profesor Jonathan Oppenheim de la University College London (UCL) a Space.com por correo electrónico.
Oppenheim es el pionero de una teoría nueva y radical que finalmente podría unir estos dos conceptos, una reconciliación que ha desafiado a las mentes científicas más importantes durante más de 100 años.
¿Por qué la gravedad debería ser “cuántica”?
Anteriormente, unir la relatividad general con la física cuántica implicaba tomar el espacio-tiempo, las tres dimensiones de la física cuántica. espacio y la dimensión única del tiempo, unificada como una única entidad 4D que está en la base de la relatividad general, y que se descompone en unidades discretas o “cuantos”.
Esto requiere que el espacio-tiempo sea un escenario pasivo en el que la “acción” de el universo jugar afuera. Sin embargo, la relatividad general depende de que el espacio-tiempo no sea un escenario estático sino más bien un actor dinámico en el ballet cósmico del universo, moldeado por la presencia de materia y energía y, posteriormente, indicando a la materia y la energía cómo moverse a través de la curvatura y la gravedad que surgen de él.
La idea de Oppenheim de “espacio-tiempo ondulante” se basa en preguntar por qué gravedad debería tener una naturaleza cuántica como la que se ha descubierto para el resto del universo. fuerzas fundamentales — electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. La gravedad, sostiene, no es como estas otras fuerzas. Después de todo, es el único de los cuatro que puede definir la geometría misma del espacio-tiempo, y los campos de la física cuántica evolucionan sobre esta geometría.
“Sentimos la gravedad porque la materia hace que el espacio-tiempo se doble. El tiempo fluye a ritmos desiguales en diferentes lugares”, escribe Oppenheim en un artículo sobre su teoría publicado en la revista Revisión Física X. “La velocidad a la que fluye el tiempo y la estructura causal [the fact that cause always precedes effect] “Es posible que sea necesario tener una descripción clásica para que la teoría cuántica esté bien formulada”.
Eso significa, según su teoría, denominada “teoría poscuántica de la gravedad clásica”, que el espacio-tiempo, y por tanto la gravedad, no tienen descripción cuántica. Esto se debe a fluctuaciones aleatorias en el espacio-tiempo, que provocan cambios en el flujo del tiempo, rompiendo así el concepto de previsibilidad.
“En ambos gravedad cuántica y la gravedad clásica, el espacio-tiempo debe estar sufriendo fluctuaciones violentas y aleatorias a nuestro alrededor, pero en una escala que aún no hemos podido detectar”, dijo Zach Weller-Davies, investigador del Instituto Perimeter de Física Teórica de Canadá. y ex estudiante de doctorado de Oppenheim, dijo en un comunicado.
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Apuesta por el ‘espacio-tiempo ondulado’ frente a la teoría de cuerdas y la gravedad de bucle cuántico
Por supuesto, la idea de Oppenheim está lejos de ser la primera teoría que se ha propuesto para cerrar la división entre la física cuántica y la relatividad general.
Teoria de las cuerdas es uno de los conceptos más conocidos sugeridos para unir estos dos pilares de la física. En resumen, considera las partículas que llenan el universo como manifestaciones de objetos vibrantes unidimensionales llamados cuerdas. La teoría de cuerdas describe cómo estas cuerdas se propagan a través del espacio e interactúan entre sí, dando lugar a una partícula llamada gravitón que transporta fuerza gravitacional y, por lo tanto, proporciona una explicación cuántica de esta fuerza fundamental.
Una teoría de unificación alternativa popular a la teoría de cuerdas es gravedad de bucle cuánticoque cambia la formulación de la relatividad general para cuantificar el espacio-tiempo en fragmentos.
Carlo Rovelli, partidario de la gravedad de bucles cuánticos, y Geoff Penington, defensor de la teoría de cuerdas, dudan de la teoría poscuántica de la gravedad clásica de Oppenheim. Su escepticismo es la base de una apuesta de 5.000 a 1 con Oppenheim, que se pagaría si fracasa un experimento ideado por Weller-Davies y otros ex doctores. Los estudiantes del científico de la UCL midieron una masa con mucha precisión para ver si parece fluctuar con el tiempo, confirmando así la teoría poscuántica de la gravedad clásica.
Este escepticismo es una calle de doble sentido para Oppenheim, ya que duda de la validez de la teoría de cuerdas y la gravedad de bucles cuánticos como remedios precisos para el problema de la física cuántica y la relatividad general. Esto se debe a que estas otras ideas requieren que se agreguen ingredientes adicionales al universo, incluidas dimensiones adicionales, que la teoría poscuántica de la gravedad clásica no necesita.
“No me queda claro si alguno de los enfoques actuales concilia consistentemente la teoría cuántica y la relatividad general”, dijo Oppenheim. “Si la teoría de cuerdas logra hacerlo, requeriría dimensiones adicionales y supersimetríaninguno de los cuales hemos observado en la naturaleza, aunque todavía es posible que estén allí”.
Añadió que las teorías unitarias, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, también parecen requerir la ruptura del famoso principio de equivalencia de Einstein. Esto se refiere a la equidad entre dos formas de masa: la masa gravitacional, que se experimenta al estar sobre un cuerpo como la Tierra, y la masa inercial, que se experimenta en un marco de referencia acelerado. Oppenheim explicó que esta ruptura de equivalencia es necesaria para conciliar estas teorías con la “Paradoja de la información del agujero negro,” que pregunta adónde va la información transportada por la materia tragada por los agujeros negros.
Además de probar la fluctuación de una masa determinada debido a la teoría poscuántica de la gravedad clásica, Oppenheim y sus antiguos alumnos están buscando aspectos de la naturaleza que puedan surgir y respaldar aún más esta novedosa teoría.
“Hemos demostrado que si el espacio-tiempo no tiene una naturaleza cuántica, entonces debe haber fluctuaciones aleatorias en la curvatura del espacio-tiempo que tienen una firma particular que puede verificarse experimentalmente”, dijo Zach Weller-Davies. “Si el espacio-tiempo es clásico, las fluctuaciones tienen que ser mayores que una cierta escala, y esta escala se puede determinar mediante otro experimento en el que probamos cuánto tiempo podemos poner una carga pesada átomo en superposición de estar en dos lugares diferentes.”