La física moderna se basa en dos pilares: por un lado, la teoría cuántica, que rige las partículas más pequeñas del universo, y por otro, la teoría de la relatividad general de Einstein, que explica la gravedad a través de la curvatura del espacio-tiempo. Pero estas dos teorías se contradicen y su reconciliación ha sido difícil durante más de un siglo.

La hipótesis predominante ha sido que la teoría de la gravedad de Einstein debe modificarse o «cuantificarse» para que encaje en la teoría cuántica. Este es el planteamiento de los dos principales candidatos a una teoría cuántica de la gravedad, la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles.

Pero una nueva teoría, desarrollada por el profesor Jonathan Oppenheim (UCL Physics & Astronomy) y expuesta en un nuevo artículo en Physical Review X (PRX), desafía ese consenso y adopta un enfoque alternativo al sugerir que el espacio-tiempo puede ser clásico, es decir, no regido en absoluto por la teoría cuántica.

En lugar de modificar el espacio-tiempo, la teoría -denominada Teoría postcuántica de la gravedad clásica– modifica la teoría cuántica y predice una ruptura intrínseca de la predictibilidad mediada por el propio espacio-tiempo. Esto da lugar a fluctuaciones aleatorias y violentas en el espacio-tiempo mayores de las previstas en la teoría cuántica, lo que hace que el peso aparente de los objetos sea impredecible si se mide con suficiente precisión.

Un segundo artículo, publicado simultáneamente en Nature Communications y dirigido por antiguos estudiantes de doctorado del profesor Oppenheim, analiza algunas de las consecuencias de la teoría y propone un experimento para ponerla a prueba: medir una masa con mucha precisión para ver si su peso parece fluctuar con el tiempo.

Por ejemplo, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Francia pesa rutinariamente una masa de 1 kg que solía ser el patrón de 1 kg. Si las fluctuaciones en las mediciones de esta masa de 1 kg son menores de lo requerido para la consistencia matemática, la teoría puede descartarse.

El resultado del experimento, u otras pruebas que confirmen la naturaleza cuántica o clásica del espacio-tiempo, es objeto de una apuesta de 5000:1 entre el profesor Oppenheim y el profesor Carlo Rovelli y el Dr. Geoff Penington, destacados defensores de la gravedad cuántica de bucles y de la teoría de cuerdas, respectivamente.

Toda la materia del universo obedece las leyes de la teoría cuántica, pero sólo observamos realmente el comportamiento cuántico a escala de átomos y moléculas. La teoría cuántica nos dice que las partículas obedecen al principio de incertidumbre de Heisenberg, y nunca podemos conocer su posición ni su velocidad al mismo tiempo. De hecho, ni siquiera tienen una posición o velocidad definidas hasta que las medimos. Las partículas como los electrones pueden comportarse más como ondas y actuar casi como si pudieran estar en muchos lugares a la vez (más exactamente, los físicos describen las partículas como si estuvieran en una «superposición» de diferentes lugares).

La teoría cuántica lo gobierna todo, desde los semiconductores, omnipresentes en los chips informáticos, hasta los láseres, la superconductividad o la desintegración radiactiva. En cambio, decimos que un sistema se comporta de forma clásica si tiene propiedades subyacentes definidas. Un gato parece comportarse de forma clásica: o está vivo o está muerto, pero no ambas cosas, ni se encuentra en una superposición de vida y muerte. ¿Por qué los gatos se comportan de forma clásica y las partículas pequeñas de forma cuántica? No lo sabemos, pero la teoría postcuántica no requiere el postulado de la medida, porque la clasicidad del espacio-tiempo infecta a los sistemas cuánticos y hace que se localicen.

La teoría de la gravedad de Newton dio paso a la teoría de la relatividad general (RG) de Einstein, que sostiene que la gravedad no es una fuerza en el sentido habitual. En su lugar, los objetos pesados, como el sol, doblan el tejido del espacio-tiempo de tal manera que hacen que la Tierra se desplace.

Durante los últimos cinco años, el grupo de investigación de la UCL ha estado poniendo a prueba la teoría y explorando sus consecuencias.

Según el profesor Oppenheim: La teoría cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein son matemáticamente incompatibles entre sí, por lo que es importante entender cómo se resuelve esta contradicción. ¿Hay que cuantificar el espacio-tiempo, modificar la teoría cuántica o se trata de algo totalmente distinto? Ahora que tenemos una teoría fundamental consistente en la que el espacio-tiempo no se cuantiza, cualquiera lo adivina.

Zach Weller-Davies, coautor del estudio y estudiante de doctorado en la UCL, ayudó a desarrollar la propuesta experimental e hizo aportaciones clave a la propia teoría: Este descubrimiento desafía nuestra comprensión de la naturaleza fundamental de la gravedad, pero también ofrece vías para sondear su posible naturaleza cuántica.

Hemos demostrado que si el espacio-tiempo no tiene una naturaleza cuántica, entonces debe haber fluctuaciones aleatorias en la curvatura del espacio-tiempo que tienen una firma particular que puede verificarse experimentalmente.

Tanto en la gravedad cuántica como en la gravedad clásica, el espacio-tiempo debe estar experimentando fluctuaciones violentas y aleatorias a nuestro alrededor, pero a una escala que aún no hemos podido detectar. Pero si el espacio-tiempo es clásico, las fluctuaciones tienen que ser mayores que una cierta escala, y esta escala puede determinarse mediante otro experimento en el que probamos cuánto tiempo podemos poner un átomo pesado en superposición de estar en dos lugares distintos.

Los coautores, el Dr. Carlo Sparaciari y la Dra. Barbara Šoda, cuyos cálculos analíticos y numéricos ayudaron a guiar el proyecto, expresaron su esperanza de que estos experimentos puedan determinar si la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad es el enfoque correcto.

La Dra. Šoda (antes Física y Astronomía de la UCL, ahora en el Instituto Perimeter de Física Teórica de Canadá) afirmó: Dado que la gravedad se manifiesta a través de la curvatura del espacio y el tiempo, podemos plantearnos la cuestión en términos de si la velocidad a la que fluye el tiempo es de naturaleza cuántica o clásica.

Y comprobarlo es casi tan sencillo como comprobar si el peso de una masa es constante o parece fluctuar de una manera determinada.

El Dr. Sparaciari (Física y Astronomía de la UCL) afirmó: Aunque el concepto experimental es sencillo, el pesaje del objeto debe realizarse con extrema precisión.

Pero lo que me parece apasionante es que, partiendo de supuestos muy generales, podemos demostrar una relación clara entre dos cantidades mensurables: la escala de las fluctuaciones del espacio-tiempo y el tiempo que objetos como átomos o manzanas pueden permanecer en superposición cuántica de dos ubicaciones distintas. Entonces podremos determinar estas dos cantidades experimentalmente.

Weller-Davies añade: Debe existir una delicada interacción para que partículas cuánticas como los átomos puedan curvar el espacio-tiempo clásico. Tiene que haber un equilibrio fundamental entre la naturaleza ondulatoria de los átomos y la magnitud de las fluctuaciones aleatorias del espacio-tiempo.

La propuesta de comprobar si el espacio-tiempo es clásico buscando fluctuaciones aleatorias en la masa es complementaria de otra propuesta experimental que pretende verificar la naturaleza cuántica del espacio-tiempo buscando algo llamado «entrelazamiento mediado gravitacionalmente».

El profesor Sougato Bose (Física y Astronomía de la UCL), que no ha participado en el anuncio, pero fue uno de los primeros en proponer el experimento de entrelazamiento, ha declarado: Los experimentos para comprobar la naturaleza del espacio-tiempo requerirán un esfuerzo a gran escala, pero son de enorme importancia desde el punto de vista de la comprensión de las leyes fundamentales de la naturaleza. Creo que estos experimentos están al alcance de la mano; estas cosas son difíciles de predecir, pero quizá sepamos la respuesta en los próximos 20 años.

La teoría postcuántica tiene implicaciones que van más allá de la gravedad. El infame y problemático «postulado de la medida» de la teoría cuántica no es necesario, ya que las superposiciones cuánticas se localizan necesariamente a través de su interacción con el espacio-tiempo clásico.

La teoría fue motivada por el intento del profesor Oppenheim de resolver el problema de la información de los agujeros negros. Según la teoría cuántica estándar, un objeto que entra en un agujero negro debe ser irradiado de vuelta de alguna manera, ya que la información no puede destruirse, pero esto viola la relatividad general, que dice que nunca se puede saber nada de los objetos que cruzan el horizonte de sucesos del agujero negro. La nueva teoría permite que la información se destruya, debido a un fallo fundamental en la previsibilidad.


Fuentes

University College London | Jonathan Oppenheim, A Postquantum Theory of Classical Gravity?. Physical Review X, 13, 041040. doi.org/10.1103/PhysRevX.13.041040


  • Compártelo en:

Descubre más desde La Brújula Verde

Suscríbete y recibe las últimas entradas en tu correo electrónico.

Something went wrong. Please refresh the page and/or try again.