¿Por qué nos empeñamos en cuantizar la gravedad?


¿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…

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12 Respuestas a “¿Por qué nos empeñamos en cuantizar la gravedad?

  1. Creo que la solución al origen de la Gravedad debe darse fuera del concepto de espacio-tiempo . Como autodidacta , de sólida formación electro magnética , considero que un símil medio como es el espacio tiempo carece de la lógica mínima que requiere la propagación de ondas electro magnéticas .
    Esta afirmación , se basa en la siguientes premisas : Cuando Maxwell en 1865 determinó que la luz visible era una onda electromagnética , y determinó su velocidad , afirmó que la misma onda es na alteración del medio .En 1887 . cuando Michelson y Morley trataron de determinar la existencia de un medio material llamado “eter ” lograron probar que no existía .. En la actualidad hay un medio electromagnético ,que permite que la energía viaje por el espacio en forma de onda , NO DE PARTÍCULA .
    El magnetismo no tiene masa . El día que se razone claramente , se comprenderá que incluyendo en las variables un medio de propagación ,no es necesario aplicar ningún concepto de cuanto . La prueba es que ya se demostró que el efecto fotoeléctrico se cumple perfectamente sin los fotones esto quiere decir , no solo que no se puede cuantizar el electriomagnetismo sino que no es necesario .

  2. Es como el piano, él contiene notas que pueden conformar millones de músicas, pero si nadie lo toca, siempre estará estático y pareciera que la música no existe.

  3. Luis Espinoza Corrales

    Respetables señores: y si la cuestión d la Gravedad fuera más sencilla d lo k parece? No podemos pensar k sólo sea una interacción entre la geometría del espacio-tiempo y la geometría del objeto o partícula k se desplace por este, y k no haya ningún Gravitón, es decir, ninguna particulaonda? Acaso la desviación d la luz ( los fotones ) no se desviarían siguiendo la curvatura del espacio-tiempo sin caer debido a su velocidad e inercia?

  4. “hoy sabemos que la gravedad no es una fuerza sino…el cuento del espacio-tiempo y tal”…y se lo creen y todo!.

  5. umar_gan@hotmail.com

    Disculpen la intromisión pero al leerles me da pie al apunte de que la gravedad cuántica, de ser, podría tener alguna relación en la carga del protón, el neutrón, del electrón si esto pudiese mantener alguna relación significativa con variaciones en la velocidad. Se que es muy difuso, les he leído y sencillamente me venía esta manifestación de la gravedad a nivel cuántico en expresión de velocidad, aceleración por ejemplo del electrón en la órbita de su núcleo y carga de partículas. Aquí la gravedad sería una consecuencia de una traducción a un espaciotiempo infinitesimal, una fuerza de gravedad casi despreciable y tan minúscula a la que estamos acostumbrados en el microcosmos, pero no por ello desdeñable si de alguna manera pudiera explicar o estar implicada en la velocidad de la órbita insisto, del electrón por ejemplo respecto de su núcleo.

    Obviamente no pretendo aportar nada sino que todo se me ha sugerido, seguramente muy errada de sus eméritos comentarios.

  6. “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.”

  7. Odio la razón que voy a dar pero creo que también es importante, aunque aplique a otras empresas importantes de investigación.

    La razón es que un problema tan complicado como la cuantización de la gravedad va a dejar un rastro de resultados y nuevas teorías en su proceso de resolución. Lo que en matemática llamarían lemas, en física son propuestas de solución del problema que abren caminos completamente nuevos y conectan campos que se pensaban separados. Ya ha pasado en cuerdas con sus conexiones con mirror symmetry o teoría de nudos, o en loop quantum gravity con el tema de las spin networks o el papel de los twistores. La teoría de categorías también a encontrado un papel en algunas intentos de cuantizar la gravedad.

    La idea es que una meta final muy ambiciosa asegura que el camino a ella esté sembrado de resultados espectaculares. E igual que la física de partículas experimentales produce avances en tecnología por los problemas técnicos e ingenieriles que conlleva, una física teórica con altura de miras da lugar a nuevas ideas con vida propia, que pueden crecer y convertirse en proyectos independientes, tal vez tan interesantes como el original.

    Un saludo.

  8. Pingback: ¿Por qué nos empeñamos en cuantizar la gravedad?

  9. oscarrobertoernst

    La idea de ingravidez de Einstein (caída libre), y la idea de aceleración de Galileo, son básicas para cualquier estudio sobre la gravedad.

    La gravedad no es una fuerza (fundamental), ni una interacción, sin importar si interactúa con una masa importante o minúscula, la gravedad de una masa será igual (aceleración), y si no hay nada para interactuar, nada indica que deja de existir. Es independiente de cualquier interacción.

    La mecánica no explica la razón y características intrínsecas de la gravedad, ni puede hacerlo. Sino establece relaciones, igualdades, y comparaciones (proporciones).

    La idea que la matemática puede explicar el fenómeno, es falso en su mismo concepto.

    Cuando Einstein habla de “la idea más feliz de mi vida”, nada tiene que ver con una fórmula matemática, y sí con la gravedad.

    La idea de que Einstein resolvió el problema, es falso; La curvatura del espacio resuelve la mitad del asunto, no resuelve la aceleración de un cuerpo en reposo. La idea de que se necesita una “fuerza” para completar la solución, es evidente que ni siquiera empezamos a entender.

    La solución es sencilla, pero lo difícil es olvidar los prejuicios.

    El Espacio y todo cuerpo es de cuatro dimensiones (al menos), la expansión del universo es en la cuarta dimensión (caso contrario seríamos el centro del universo), pero no nos olvidemos que las partículas son ondas, y que toda partícula tiene dos impulsos “c” (E = mc²) uno corresponde al fotón originador de la partícula, y el otro corresponde a la expansión del universo, cuando esta onda cambia de dirección, llamamos gravedad.

    • La gravedad no es inherente de la materia yo creo que la teoría general de la relatividad, se quedó corta.
      Quiero explicarle algunos razonamientos a tener en cuenta.
      Imaginemos un giróscopo o peonza girando, donde uno de sus puntos señale al sol, y el punto contrario señale al centro de la tierra, quitemos el sol, y la peonza seguirá inmutable con respecto al centro de la tierra, quitemos la tierra y el giróscopo seguirá girando en una posición fija en el espacio resistiendo se a torsionarse aún quitemos todas las galaxias.
      Razonando el espacio tiene un ENTE propio.
      Otro ejemplo,
      A una velocidad constante en el universo sin punto de referencia, dos cohetes que pasasen juntos uno con respecto al otro nunca sabremos cual de los dos se mueve.
      Diferente es ese mismo cohete que empiece a acelerar, entonces sabremos que nos movemos y en que dirección con respecto al espacio o vacío.
      EL VACIO CUENTA, Y LO ESPLICO.
      Imaginemos el espacio como un globo de 10 centímetros, tiene una capacidad x, otro de 20 centímetros la capacidad no es el doble, creo es elevada al cubo, otro de 20 centímetros elevada al cubo del cubo, y así sucesivamente.
      En el espacio sucede lo mismo, pero no en volumen sino en VACIO.
      El vacío no es constante, y es una aceleración hacia mas vacío.
      Si el cohete se aceleraba en un espacio vacio acelerado, crea el efecto de inercia en sentido opuesto a la disección donde se acelera en el espacio.
      Si es el espacio el que se acelera al rededor de un cuerpo fijo, creará el mismo efecto, pero en todos sus puntos, pero hacia el centro de cada maza.

      Julián Luque,

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