Los físicos han desarrollado un enfoque novedoso para resolver uno de los problemas más persistentes en la física teórica: unir la gravedad con el mundo cuántico.
En un artículo reciente publicado en la revista Informes sobre el progreso en físicalos científicos describen una reformulación de la gravedad que podría conducir a una descripción totalmente compatible con cuántica, sin invocar las dimensiones adicionales o las características exóticas requeridas por modelos más especulativos, como teoría de cuerdas.
En el corazón de la propuesta hay un replanteamiento de cómo se comporta la gravedad a un nivel fundamental. Mientras que las fuerzas electromagnéticas, débiles y fuertes se describen utilizando la teoría de campo cuántico, un marco matemático que incorpora la incertidumbre y la dualidad de las partículas de onda- gravedad sigue siendo el valor atípico. Relatividad generalLa teoría de la gravedad de Einstein es una teoría puramente clásica que describe la gravedad como la deformación de la geometría del espacio-tiempo por masa y energía. Pero los intentos de combinar la teoría cuántica con la relatividad general a menudo se encuentran con inconsistencias matemáticas fatales, como las probabilidades infinitas.
El nuevo enfoque reinterpreta el campo gravitacional de una manera que refleja la estructura de las teorías de campo cuántico conocidos. «El hallazgo clave es que nuestra teoría proporciona un nuevo enfoque para la gravedad cuántica de una manera que se asemeja a la formulación de las otras interacciones fundamentales del modelo estándar», dijo el coautor del estudio Mikko Partanen, físico de la Universidad de Aalto en Finlandia, dijo Live Science en un correo electrónico.
En lugar de curvarse espacio-tiempo, la gravedad en su modelo está mediada por cuatro campos interrelacionados, con cada uno similar al campo que gobierna el electromagnetismo. Estos campos responden a la masa de la misma manera que los campos eléctricos y magnéticos responden a la carga y la corriente. También interactúan entre sí y con los campos del Modelo estándar De una manera que reproduce la relatividad general a nivel clásico, al tiempo que permite que los efectos cuánticos se incorporen consistentemente.
Debido a que el nuevo modelo refleja la estructura de las teorías cuánticas bien establecidas, evita los problemas matemáticos que históricamente han obstaculizado los esfuerzos para cuantificar la relatividad general. Según los autores, su marco produce una teoría cuántica bien definida que evita problemas comunes, como infinidades no físicas en cantidades observables y probabilidades negativas para los procesos físicos, que generalmente surgen cuando la relatividad general se cuantifica utilizando métodos convencionales y directos.
Una ventaja clave del enfoque es su simplicidad. A diferencia de muchos modelos de gravedad cuántica que requieren partículas no detectadas y fuerzas adicionales, esta teoría se adhiere al terreno familiar.
«Las principales ventajas o diferencias en comparación con muchas otras teorías de gravedad cuántica son que nuestra teoría no necesita dimensiones adicionales que aún no tengan apoyo experimental directo», dijo Jukka Tulkki, profesora de la Universidad de Aalto y coautor del artículo, dijo Live Science en un correo electrónico. «Además, la teoría no necesita parámetros libres más allá de las constantes físicas conocidas».
Esto significa que la teoría puede probarse sin esperar el descubrimiento de nuevas partículas o revisar las leyes físicas existentes. «Cualquier experimento de gravedad cuántica futura puede usarse directamente para probar cualquier predicción (de próxima próxima) de la teoría», agregó Tulkki.
Mirando hacia el futuro
A pesar de las características prometedoras, el modelo todavía está en sus primeras etapas. Aunque los cálculos preliminares indican que la teoría se comporta bien bajo los controles de consistencia habituales, queda por resolver una prueba completa de su consistencia.
Además, el marco aún no se ha aplicado a algunas de las preguntas más profundas en la física gravitacional, como la verdadera naturaleza de singularidades de agujeros negros O la física del Big Bang. «La teoría aún no es capaz de abordar esos desafíos principales, pero tiene el potencial de hacerlo en el futuro», dijo Partanen.
La verificación experimental puede resultar aún más esquiva. La gravedad es la más débil de las fuerzas conocidas, y sus aspectos cuánticos son increíblemente sutiles. Las pruebas directas de los efectos de gravedad cuántica están fuera del alcance de los instrumentos actuales.
«Probar los efectos de la gravedad cuántica es un desafío debido a la debilidad de la interacción gravitacional», dijo Tulkki. Aún así, debido a que la teoría no incluye parámetros ajustables, cualquier experimento futuro que sondea el comportamiento gravitacional cuántico podría confirmar o descartar la nueva propuesta.
«Dado el ritmo actual de los avances teóricos y observacionales, podría llevar algunas décadas hacer los primeros avances experimentales que nos dan evidencia directa de los efectos de gravedad cuántica», dijo Partanen. «Se podría obtener evidencia indirecta a través de observaciones avanzadas anteriormente».
Por ahora, el trabajo de Partanen y Tulkki abre una nueva dirección para los teóricos que buscan una teoría cuántica de la gravedad, una que permanece basada en los marcos exitosos de la física de partículas, mientras que potencialmente desbloquean algunos de los misterios más profundos del universo.
