El mayor desafío de la física teórica durante más de un siglo ha sido desarrollar una teoría unificada que combine la gravedad con las otras tres fuerzas fundamentales del universo: las fuerzas nucleares fuerte y débil, así como el electromagnetismo. Los físicos han intentado, sin éxito, unir dos pilares aparentemente incompatibles de la ciencia contemporánea: la teoría de la relatividad general de Albert Einstein y la teoría cuántica de campos.

Ahora, un nuevo avance de investigadores de la Universidad Aalto en Finlandia podría marcar un punto de inflexión en esta búsqueda. En un artículo publicado recientemente en la revista Reports on Progress in Physics, los científicos Mikko Partanen y Jukka Tulkki presentan una nueva teoría cuántica de la gravedad que está formulada de una manera compatible con el Modelo Estándar de la física de partículas. Esta propuesta abre la puerta a una comprensión más completa de los orígenes del universo y de fenómenos extremos como los agujeros negros.

Según Partanen, autor principal del estudio, es posible que en unos pocos años los fundamentos de esta teoría permitan desentrañar cuestiones críticas que hasta ahora han desafiado incluso a las mentes más brillantes de la física contemporánea. Si este marco teórico llega a consolidarse como una teoría cuántica de campos completa para la gravedad, podría ofrecer respuestas a enigmas tan complejos como la naturaleza de las singularidades presentes en los agujeros negros o las condiciones del universo en los momentos inmediatos al Big Bang.

Aunque Partanen prefiere evitar el término, este tipo de teoría que busca describir de forma coherente todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza suele denominarse Teoría del todo.

Una nueva forma de entender la gravedad

El principal avance de los investigadores finlandeses reside en haber concebido una formulación de la gravedad como una teoría gauge—un tipo de teoría en la que las partículas interactúan entre sí a través de un campo—similar a las que se utilizan para describir las otras tres fuerzas fundamentales. Como explica Jukka Tulkki, el campo gauge más familiar es el campo electromagnético, que media las interacciones entre partículas con carga eléctrica. Del mismo modo, si consideramos partículas que poseen energía, las interacciones que surgen debido a esa energía deberían producirse a través del campo gravitatorio.

En lugar de utilizar las simetrías del espacio-tiempo que se encuentran en la relatividad general, la nueva teoría implica una simetría más cercana a la del Modelo Estándar, ya que permite incluir la gravedad en un marco conceptual cuántico coherente y tender un puente entre dos visiones del universo incompatibles pero ambas correctas: la visión de la física cuántica, en términos de un mundo de partículas infinitesimales y fenómenos probabilísticos, y la visión de la relatividad general, que describe el movimiento de los cuerpos macroscópicos en presencia de la gravedad.

Ambas han sido verificadas en muchos experimentos con una precisión sorprendente, pero han permanecido incompatibles en sus estructuras matemáticas y conceptuales.

Dado que la interacción gravitatoria es considerablemente más débil que las otras fuerzas, detectar efectos cuánticos en la gravedad requiere condiciones extremas de energía y precisión. Es en estos escenarios—como los que se encuentran alrededor de los agujeros negros o durante los primeros momentos del universo—donde una teoría cuántica de la gravedad se vuelve indispensable.

Partanen, fascinado desde hace tiempo por las grandes preguntas de la física, desarrolló junto con Tulkki un nuevo enfoque basado en simetrías que podría abrir una nueva era de comprensión científica, del mismo modo que la teoría de la relatividad general sentó las bases para aplicaciones tecnológicas como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), hoy omnipresente en nuestros teléfonos móviles.

FUENTES

Aalto University

Mikko Partanen and Jukka Tulkki, Gravity generated by four one-dimensional unitary gauge symmetries and the Standard Model. Rep. Prog. Phys. 88 057802. DOI 10.1088/1361-6633/adc82e

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