Hacia la gravedad cuántica

En épocas pasadas, el individuo común participaba, a través de relatos y noticias, de los descubrimientos que los diversos exploradores realizaban en distintas partes del globo terráqueo. En la actualidad, agotadas las posibilidades de descubrimientos similares, aparece la posibilidad de compartir los hallazgos que los científicos establecen en sus intentos por comprender tanto lo muy grande como lo muy pequeño. Tanto la indagación del universo lejano como la de los diminutos átomos, nos reserva sorpresas inesperadas ya que vislumbra la existencia de mundos distintos a los que nuestra imaginación nos hubiese podido llevar. Richard P. Feynman escribió respecto de la investigación de los físicos: “Tal vez ustedes no sólo hayan llegado a la valoración de este aspecto de la cultura; quizá quieran participar también en la aventura más grandiosa que jamás haya emprendido la mente humana” (De “Las lecciones de física de Feynman” de R. P. Feynman, R. B. Leighton y M. Sands-Fondo Educativo Interamericano SA-EEUU 1971).

En nuestros días, “la aventura más grandiosa que jamás haya emprendido la mente humana” consiste en lograr una teoría de la gravedad cuántica, que ha de ser la que permita unificar, en un reducido conjunto de ecuaciones matemáticas, las cuatro fuerzas naturales que permiten establecer toda la estructura del universo conocido. Estas fuerzas naturales son: la gravedad, responsable del vínculo entre planetas, estrellas, galaxias y todo lo concerniente a las grandes escalas de observación: el electromagnetismo, responsable de la estructura de átomos y moléculas; las fuerzas nucleares fuerte y débil, responsable de la cohesión entre partículas del núcleo atómico y de la cohesión interna de algunas de esas partículas, respectivamente.

El mundo de lo muy grande está descrito por la relatividad generalizada, mientras que el mundo de lo muy pequeño lo está por la mecánica cuántica (modelo Standard). De ahí que surjan intentos por realizar una teoría de la gravedad cuántica que permita encontrar un fundamento adicional para la relatividad generalizada y así disponer de un marco teórico único para todas las fuerzas del universo.

El mayor inconveniente que se presenta radica en que, por el momento, ambas teorías resultan incompatibles, ya que los atributos característicos de cada una de ellas son inexistentes en la otra. Así, en el mundo de lo muy pequeño, los diversos fenómenos se caracterizan por la intervención de cantidades de acción (Acción = Energía x Tiempo) que sean múltiplos de la constante de acción de Planck. Tal discontinuidad no aparece en las ecuaciones de la relatividad generalizada.

En el ámbito de lo muy grande, por otra parte, los ordenamientos espaciales y temporales dependen esencialmente de la materia existente, es decir, no existe un ordenamiento espacial y temporal independiente de la materia existente. Albert Einstein alguna vez expresó: “Antes pensábamos que si sacáramos todas las cosas del universo, nos quedaría el espacio y el tiempo; ahora pensamos que no nos quedaría nada”. Sin embargo, las ecuaciones de la mecánica cuántica utilizan las magnitudes espacio y tiempo como si existiesen en forma independiente de la materia.

En concepto newtoniano de “acción distancia”, considerado para interpretar la ley de gravitación universal, fue reemplazado por el concepto de “campo de fuerzas”. Así, se considera que una partícula crea a su alrededor un campo de fuerzas y luego este campo actúa sobre otra partícula distante. En el caso gravitacional ocurre algo similar: una masa gravitacional (como el Sol) crea un campo de fuerzas que modifica el espacio-tiempo circundante haciendo que los planetas se muevan a su alrededor. John Archibald Wheeler escribió: “El espacio-tiempo controla la masa, diciéndole cómo debe moverse”. “La masa controla al espacio-tiempo, diciéndole cómo debe curvarse” (De “Un viaje por la gravedad y el espacio-tiempo”-Alianza Editorial SA-Madrid 1994).

Como era de esperar, existen dos grupos de físicos, más o menos definidos, que abordan el problema de distinta forma: unos confían en la validez universal de la mecánica cuántica, incluso despreciando la inexistencia de espacio y tiempo independientes de la materia, y otros que, confiando en los conceptos introducidos por la relatividad generalizada, sostienen que deben postularse ciertos “átomos de espacio-tiempo” en el mundo de lo muy pequeño, en consonancia con las discontinuidades de la cantidad de acción interviniente.

Una teoría representativa de la primera postura, es aquella que se fundamenta en las supercuerdas; una teoría representativa de la segunda postura es la denominada “gravedad cuántica de bucles”. En la forma descrita, parecería que las del primer tipo tienen pocas posibilidades de resultar exitosas por cuanto desconocen las consecuencias de la relatividad generalizada.

Estas posturas han sido descritas por Pedro Naranjo Pérez: “En este libro nos centraremos en una teoría particular, conocida como gravedad cuántica de bucles. El interés de esta teoría es doble. Por un lado, es minimalista, en el sentido de que evita la introducción de ideas especulativas (al contrario que, por ejemplo, la teoría de supercuerdas, que requiere dimensiones espaciales extra, entre otras cosas); la gravedad cuántica de bucles sólo tiene las tres dimensiones espaciales familiares y ningún elemento adicional”.

“Por otro lado, respeta el legado conceptual de la relatividad general, a saber, que el espacio-tiempo no es ninguna entidad absoluta, estática, sino dinámica, expuesta a la danza cósmica con la materia (esta propiedad se desecha en las supercuerdas, donde se vuelve a la concepción del espacio-tiempo anterior a la relatividad general)”.

“La imagen que la gravedad cuántica de bucles ofrece de las escalas más fundamentales del universo tiene un cierto carácter pintoresco. El espacio, ese concepto enraizado en nuestra mente, se vuelve discreto, baila al son de la materia, cual granos de arena arrojados al aire y mecidos por el viento. La diferencia crucial es que entre dos granos de arena hay algo: espacio (vacío o no). Entre dos granos, «átomos», de espacio-tiempo no hay nada. Ni siquiera vacío. Nada de nada. Estos átomos de espacio-tiempo son las unidades elementales de la gravedad cuántica de bucles” (De “La gravedad cuántica”-RBA Coleccionables SA-Navarra 2017).

En cuanto al escenario de fondo de ambos tipos de teorías, el citado autor escribió: “Podemos pensar en la teoría de supercuerdas como un gran teatro: el escenario es el espacio-tiempo; los actores, los fenómenos naturales (partículas, fuerzas…). Por muchas filigranas que el guionista pretenda que tenga la obra, el escenario no va a cambiar. Seguirá siendo liso. Incluso, si queremos llamar la atención del público, podemos pensar en un escenario con repechos o baches. Nada de lo que hagan los actores en esta obra cósmica cambiará la forma del escenario. Habrá los mismos repechos y baches antes y después de la obra. El mayor legado de Einstein, de su relatividad general, simplemente se borra de un plumazo”.

“En nuestro símil teatral, la obra del relativista muestra un aspecto esencialmente distinto; el público asiste con estupor a una representación donde únicamente hay actores. El escenario de las supercuerdas (liso o con repechos) se desvanece y se convierte en uno de los actores”.

Si reviviera alguno de los grandes pensadores del pasado y nos preguntara acerca de la visión que disponemos de la estructura básica de todo lo existente, podríamos decirle que el universo consiste en un grupo de “actores” (partículas, masa-energía) que desarrolla distintas comedias sin que sea necesaria la existencia de un teatro especial que los contenga, mientras que tales comedias sólo estarán limitadas por ciertas normas que deben respectarse siempre y que nunca deberán contradecirse, como es el caso de la ecuación de Euler-Lagrange, que tiene vigencia tanto en el ámbito de lo muy pequeño como en el ámbito de lo muy grande.

Al no existir un tiempo independiente de lo que acontece en el universo, los físicos que sustentan la teoría de bucles, aducen que no tiene sentido hablar del “tiempo cero”, como origen del universo, postulando un universo oscilante con periodos de expansión y contracción. Resulta igual de ilógico un universo creado a partir de la nada como un universo sin principio ni fin. Naranjo Pérez escribió: “El famoso Big Bang, la singularidad o punto inicial que la gran mayoría de físicos toma como el origen de todo, desaparece en la gravedad cuántica de bucles. En su lugar, se predice un «rebote» al considerar la actual expansión del universo hacia atrás en el tiempo. Esta situación se puede entender como la existencia de un universo «oscilante», que sufre fases de expansión y contracción sucesivas”.

Los físicos más representativos de esta teoría son: Amitabha Sen, Abhay Ashtekar, Ted Jacobson, Lee Smolin y Carlo Rovelli. La totalidad de los artículos de investigación, en física teórica, pueden consultarse en la siguiente página web: arxiv.org