Una nueva teoría de la gravedad: un paso crucial hacia la Teoría del todo
- Acta Diurna
- hace 7 horas
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Por fin, una teoría unificada que combina la gravedad con las demás fuerzas fundamentales —el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil— está al alcance. Integrar la gravedad ha sido el objetivo de generaciones de físicos, quienes han luchado por conciliar la incompatibilidad de dos pilares de la física moderna: la teoría cuántica de campos y la teoría de la gravedad de Einstein.
Investigadores de la Universidad Aalto han desarrollado una nueva teoría cuántica de la gravedad que la describe de forma compatible con el Modelo Estándar de la física de partículas, lo que abre la puerta a una mejor comprensión del origen del universo. Si bien el mundo de la física teórica puede parecer alejado de la tecnología aplicable, los hallazgos son notables. La tecnología moderna se basa en avances fundamentales como estos; por ejemplo, el GPS de un teléfono inteligente funciona gracias a la teoría de la gravedad de Einstein.
Mikko Partanen y Jukka Tulkki describen su nueva teoría en un artículo publicado en Reports on Progress in Physics. El autor principal, Partanen, espera que, en pocos años, los hallazgos aporten información crucial.
"Si esto resulta conducir a una teoría cuántica de campos de la gravedad completa, eventualmente dará respuestas a los problemas muy difíciles de entender las singularidades en los agujeros negros y el Big Bang", dice.
"Una teoría que describe coherentemente todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza suele denominarse Teoría del Todo", afirma Partanen, aunque a él mismo no le gusta usar el término. "Algunas preguntas fundamentales de la física siguen sin respuesta. Por ejemplo, las teorías actuales aún no explican por qué hay más materia que antimateria en el universo observable", indica.
Reconciliar lo irreconciliable
La clave fue encontrar una manera de describir la gravedad en una teoría gauge adecuada, un tipo de teoría en la que las partículas interactúan entre sí a través de un campo. "El campo gauge más conocido es el campo electromagnético. Cuando las partículas con carga eléctrica interactúan entre sí, lo hacen a través del campo electromagnético, que es el campo gauge pertinente", explica Tulkki. "Así pues, cuando tenemos partículas con energía, las interacciones que tienen, precisamente por tener energía, ocurrirían a través del campo gravitacional".
Un reto que los físicos han enfrentado durante mucho tiempo es encontrar una teoría gauge de la gravedad que sea compatible con las teorías gauge de las otras tres fuerzas fundamentales: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. El Modelo Estándar de la física de partículas es una teoría gauge que describe estas tres fuerzas y presenta ciertas simetrías. "La idea principal es tener una teoría gauge de la gravedad con una simetría similar a las simetrías del Modelo Estándar, en lugar de basarla en el tipo muy diferente de simetría espacio-temporal de la relatividad general", afirma Partanen, autor principal del estudio.
Sin dicha teoría, los físicos no pueden conciliar nuestras dos teorías más poderosas: la teoría cuántica de campos y la relatividad general. La teoría cuántica describe el mundo de lo muy pequeño (partículas diminutas que interactúan de forma probabilística), mientras que la relatividad general describe el mundo más voluminoso de los objetos familiares y su interacción gravitacional. Ambas teorías describen nuestro universo desde perspectivas diferentes, y ambas han sido confirmadas con extraordinaria precisión; sin embargo, son incompatibles entre sí. Además, debido a la fragilidad de las interacciones gravitacionales, se necesita mayor precisión para estudiar los verdaderos efectos de la gravedad cuántica más allá de la relatividad general, que es una teoría clásica.
"Se necesita una teoría cuántica de la gravedad para comprender qué tipo de fenómenos se producen en casos donde existe un campo gravitacional y altas energías", afirma Partanen. Estas son las condiciones en torno a los agujeros negros y en el universo primitivo, justo después del Big Bang, zonas donde las teorías existentes en física dejan de ser válidas.
Siempre fascinado por las grandes preguntas de la física, descubrió un nuevo enfoque basado en la simetría para la teoría de la gravedad y comenzó a desarrollar la idea con Tulkki. El trabajo resultante tiene un gran potencial para abrir una nueva era en la comprensión científica, de la misma manera que la comprensión de la gravedad allanó el camino para la creación del GPS.
Invitación abierta a la comunidad científica
Aunque la teoría es prometedora, el dúo señala que aún no han completado su demostración. La teoría utiliza un procedimiento técnico conocido como renormalización, una forma matemática de abordar los infinitos que aparecen en los cálculos. Hasta ahora, Partanen y Tulkki han demostrado que esto funciona hasta cierto punto —para los llamados términos de "primer orden"—, pero necesitan asegurarse de que los infinitos puedan eliminarse durante todo el cálculo.
"Si la renormalización no funciona para términos de orden superior, se obtendrán resultados infinitos. Por lo tanto, es vital demostrar que esta renormalización sigue funcionando", explica Tulkki. "Aún tenemos que realizar una demostración completa, pero creemos que es muy probable que lo consigamos", afirma.
Partanen coincide. Aún quedan retos por delante, afirma, pero con tiempo y esfuerzo espera superarlos. "No puedo decir cuándo, pero sí puedo afirmar que sabremos mucho más al respecto en unos años".
Por ahora, han publicado la teoría tal y como está, para que el resto de la comunidad científica pueda familiarizarse con ella, comprobar sus resultados, ayudar a desarrollarla más y construir sobre ella.
"Al igual que la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad antes de ella, esperamos que nuestra teoría abra innumerables caminos para que los científicos exploren", concluye Partanen.
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