¿Qué es la gravedad cuántica? La búsqueda de la teoría del todo

La gravedad cuántica es uno de esos conceptos que desafía a la física moderna. Su propósito teórico es integrar las dos grandes teorías del funcionamiento del universo: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Esto daría como resultado la llamada “teoría del todo”.

La teoría de la relatividad explica la forma como opera la gravedad a grandes escalas (planetas, estrellas y agujeros negros). La mecánica cuántica, por su parte, explica cómo se comporta la materia a una escala subatómica. Las dos escalas están regidas por principios diferentes, así que unificarlas aportaría una explicación completa.

La gravedad cuántica

La gravedad cuántica busca explicar el comportamiento del espacio-tiempo a escalas extremadamente pequeñas, uniendo la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad. El objetivo final es crear la “teoría del todo”, un modelo que unifique todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.

Un equipo de científicos de la Universidad de Southampton logró un hito importante al medir la gravedad a escala microscópica. Lo consiguió utilizando una innovadora técnica que se vale de “imanes levitantes” para detectar un mínimo de atracción gravitatoria sobre partículas diminutas.

Este avance abre la puerta para estudiar la gravedad a nivel subatómico, algo que no se había conseguido hasta ahora. Escalas tan pequeñas eran prácticamente inaccesibles para los científicos.

Próximos desafíos

La relatividad general describe el espacio-tiempo como algo continuo y curvado por la masa y la energía. La mecánica cuántica describe las partículas como entidades discretas, con comportamientos probabilísticos. La medición de la gravedad cuántica es un paso decisivo en la integración de ambas teorías.

La gravedad cuántica pretende explicar cómo las partículas cuánticas, como los átomos, pueden influir en la curvatura del espacio-tiempo. Esta idea ha sido difícil de abordar hasta ahora, debido a la misteriosa naturaleza de las fluctuaciones cuánticas.

Un concepto clave en este campo es el de “entrelazamiento cuántico”. Hace referencia a la interconexión entre las partículas, sin importar la distancia entre ellas. Actualmente se adelanta un experimento que busca verificar si existe un “entrelazamiento mediado gravitacionalmente”.

Dicho de otro modo, los investigadores tratan de verificar si las partículas cuánticas, a través de su interacción con el espacio-tiempo, pueden producir efectos que permitan observar la gravedad a escalas subatómicas. Uno de los pioneros de este enfoque es Sougato Bose. Él ha señalado que esto se logrará en las próximas dos décadas.

Grandes interrogantes

La gravedad cuántica también está asociada a otros grandes problemas de la física teórica. Uno de ellos es el de los agujeros negros. Según la teoría cuántica, la información que entra en un agujero negro no puede destruirse. Esto entra en conflicto con la relatividad general, que sostiene que no se puede conocer nada de los objetos que cruzan el horizonte de sucesos.

En otras palabras, los agujeros negros son como una trituradora en donde desaparece todo lo que entra. Según la física cuántica, la información sobre lo que entra no puede desaparecer por completo; debe estar en alguna parte.

Sin embargo y según la relatividad general, no es posible saber nada sobre lo que pasa dentro de un agujero negro, porque está fuera de nuestro alcance, después de que cruza una frontera llamada “horizonte de sucesos”. Esto crea la contradicción entre los dos enfoques.

Para resolver esta contradicción, surgió la llamada “teoría postcuántica”. En ella se señala que al interactuar con el espacio-tiempo, las extrañas propiedades de las partículas cuánticas se comportan de forma más predecible. Por lo tanto, la información que entra en un agujero negro “sí puede destruirse”, pero de una forma que sigue ciertas reglas.

Teorías que abordan el problema

La búsqueda de una teoría del todo (ToE, por sus siglas en inglés) es el objetivo de muchos físicos teóricos. Esta teoría tendría que ser capaz de explicar todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil) y describir cómo interactúan entre sí. La gravedad cuántica es uno de los enfoques más prometedores para lograr este objetivo.

Existen varias teorías que intentan abordar la gravedad cuántica, entre las cuales destacan:

• Teoría de cuerdas: propone que las partículas fundamentales no son puntos, sino «cuerdas» vibrantes que oscilan en dimensiones adicionales. Esta teoría sugiere que la gravedad es el resultado de la vibración de una cuerda en particular.
• Gravedad cuántica de bucles: se enfoca en la estructura del espacio-tiempo a escalas muy pequeñas, sugiriendo que el espacio está compuesto de unidades discretas, o «átomos de espacio», que interactúan de manera cuántica.
• Teoría de la gravitación cuántica: busca formular la gravedad en términos de un campo cuántico, similar a cómo se describen otras fuerzas fundamentales.

Conclusión

La gravedad cuántica y la búsqueda de la “teoría del todo” son campos en los que aún queda mucho por descubrir. Aunque todavía estamos lejos de tener todas las respuestas, los avances actuales nos acercan cada vez más a comprender los misterios del cosmos.

Lecturas recomendadas

Gravedad cuántica euclídea

Introducción a la gravedad cuántica de bucles