Avances en gravedad cuántica

Avances en gravedad cuántica
Foto: FUW
Avances en gravedad cuántica.

Según un modelo de la Teoría Cuántica de Lazos el espacio-tiempo que experimenta cada partícula puede ser diferente.

Como ya conocen nuestros lectores, todavía no hay una teoría cuántica de la gravedad, sólo candidatas a tal cosa.

El problema es que los aspectos cuánticos de gravedad sólo se dan cuando se tiene un intenso campo gravitatorio en una pequeña región de espacio, algo que prácticamente sólo ocurre en los agujeros negros y en el Big Bang.

Esto sitúa a casi cualquier teoría de este tipo fuera de su comprobación experimental directa.

Por esta razón es de esperar que toda candidata a teoría cuántica de gravedad al menos prediga lo que se observa en el régimen clásico.

Es decir, que proporcione un espacio-tiempo relativista clásico o un modelo cosmológico de los ya conocidos que sean producto de la Relatividad General.

Aunque lentamente, la Teoría Cuántica de Lazos intenta todo esto desde hace ya unos cuantos años.

Este marco teórico asume que el espacio-tiempo es similar a una tela consistente en con un gran número de fibras que forman lazos o bucles.

Un pequeño trocito de espacio tendría 1066 de estas fibras.

No hace falta decir que la comprobación directa de la existencia de estas fibras está fuera del alcance de nuestra tecnología presente y posiblemente futura.

En el departamento de Física de la Universidad de Varsovia han conseguido desarrollar algunos aspectos de esta teoría.

Entre sus últimos resultados se encuentra que pueden obtener un espacio-tiempo clásico a partir de la interacción entre la materia y la gravedad cuántica.

Se suele decir que no hubo un espacio-tiempo normal antes del Big Bang, pues este se generó en ese proceso.

Esta teoría asume que lo que había era un estado dominado por la gravedad cuántica que fue el que generó el espacio-tiempo normal durante el Big Bang.

Ese estado era tan increíblemente denso y caliente que las partículas estaban sometidas a la gravedad cuántica.

Recientemente el grupo de Jerzy Lewandowski ha presentado algunos avances en este aspecto en el congreso GR20.

Toda teoría física tiene un gran aparato matemático soportándola detrás, por eso, cuando se trata de divulgarla, se suelen recurrir a las metáforas.

En este caso recurren a una analogía en la que una red de cristal de hielo, que hace el papel de espacio clásico, surge a partir de la gravedad cuántica, que cumple el papel de agua líquida que se congela.

Recordemos que para que el agua se congele se necesitan ciertas impurezas, pues de otro modo se puede tener agua líquida sobreenfriada.

Pues bien, en este marco teórico, serían las partículas de materia las que haría formarse al espacio clásico.

Lo interesante es que distintos tipos de partículas elementales generan o experimentan distintos tipos de espacio-tiempos clásicos.

Hace tres años este grupo consiguió desarrollar un modelo en el marco de la Teoría Cuántica de Lazos que combinaba bien Mecánica Cuántica y Relatividad General (RG).

En ese modelo se asumía la presencia de dos campos de interacción.

Uno era el campo gravitatorio, que puede ser identificado por un espacio (ya que la RG propone que la gravedad no es más que la curvatura del espacio).

El segundo campo era un campo escalar que tenía un valor para cada punto del espacio y que se interpreta como el tipo de materia más simple.

Esta imagen cuántica es muy diferente del espacio que todos experimentamos cotidianamente, ¿cómo surge ese espacio clásico a partir de ese estado?

Lewandowski se pregunta que si el espacio-tiempo surge a partir de ese estado de la interacción entre materia y gravedad cuántica.

¿Podemos estar seguros de que cada tipo de materia interacciona con un espacio-tiempo que tiene las mismas propiedades?

Para contestar estas cuestiones estudiaron en el modelo patrones de interacción entre la gravedad cuántica y dos casos matemáticamente simples: partículas de masa en reposo nula y partículas escalares con masa no nula.

Como ejemplo del primer tipo de partículas tendríamos a los fotones del Modelo Estándar y en para el segundo al bosón de Higgs.

Para saber qué pasaba en cada caso comprobaron las distintas simetrías del espacio-tiempo que se generaba. En el primer caso se obtenía el espacio clásico isótropo al que estamos acostumbrados.

Es decir, tenía las mismas propiedades en todas las direcciones.

Esto se daba independientemente que los fotones tuvieran un gran momento o energía o todo lo contrario.

Pero para la segunda partícula la situación era diferente.

La existencia de una masa impone condiciones adicionales a la teoría y no se puede construir un espacio clásico isótropo.

Sólo se puede generar un espacio-tiempo anisótropo en el que hay direcciones preferentes, y no otras, en las que estas partículas se pueden mover.

Las partículas con masa no sólo no experimentan el espacio-tiempo de manera diferente a los fotones, sino que cada una ve su propia versión privada de espacio-tiempo dependiendo de la dirección en la que se mueva.

Esto fue una sorpresa para los investigadores.

Sin embargo, esto no significa que el Universo tenga direcciones privilegiadas, pues como observadores vemos las partículas somos sistemas clásicos y no cuánticos, de tal modo que nos encontramos “fuera” del mundo de las partículas.

No es por tanto visible cómo experimenta cada partícula el espacio-tiempo.

Independientemente de la dirección en la que se mueven, las partículas registradas en el laboratorio tienen todas las mismas características, por lo que comprobar esta predicción es una tarea muy complicada para los experimentalistas.

Entre los múltiples intentos de hacer compatible la gravedad con la Mecánica Cuántica (MC) está la gravedad semiclásica, que fue propuesta en los sesenta del pasado siglo.

En esta teoría se considera que la materia obedece que las leyes de la MC mientras que la gravedad viene determinada por la curvatura del espacio-tiempo, tal y como la teoría clásica de la Relatividad General propone.

De este modo, el espacio-tiempo es suave a todas las escalas y no contiene textura como proponen las cuerdas o la Teoría Cuántica de Lazos.

Digamos que en este caso no se exige que la gravedad o el propio espacio esté cuantizado.

Sin embargo, esta teoría no ha tenido mucho éxito hasta ahora debido a las inconsistencias matemáticas que producía.

En un nuevo artículo se ha analizado cómo se podría ver afectada la gravedad clásica debido a las propiedades cuánticas de los objetos que contiene, llegando a la conclusión de que la gravedad semiclásica puede ponerse a prueba experimentalmente en el laboratorio con el estado de la tecnología actual sin muchas dificultades.

El problema es que la cuantización de la gravedad no garantiza que esta siga operando a largas distancias, las distancias a las que funcionan todas las cosas que observamos.

Pues, hasta el día de hoy, no hay resultados experimentales que sugieran que existe una naturaleza cuántica de la gravedad. La gravedad que medimos es clásica (sea newtoniana o einsteniana).


Huan Yang y sus colaboradores estudiaron las posibilidades de la gravedad semiclásica para unificar, una vez más, MC y Relatividad General (RG).

Así que en lugar de cuantizar el espacio-tiempo lo consideraron enteramente clásico según la RG, pero las partículas en él contenidas se comportaban cuánticamente.

En este modelo el estado cuántico del sistema cambia en el tiempo bajo la acción de la gravedad según la ecuación de Schrödinger-Newton .

Sus resultados sugieren que se puede comprobar esta teoría experimentalmente con experimentos macroscópicos sobre la mesa de un laboratorio.

Además este tipo de experimentos permitiría comprobar otras posibilidades, como la decoherencia gravitatoria, modelos estocásticos de la gravedad, modelos de gravedad emergente, etc.

Es decir, se puede hacer ciencia de verdad e ir eliminando posibilidades que se proponen teóricamente.

Con ello se conseguiría avanzar en este campo.

En este trabajo, a diferencia de otros anteriores sobre la misma teoría, se han estudiado objetos macroscópicos, en lugar de considerar solamente una partícula.

Los objetos macroscópicos estudiados estaban formados por muchas partículas y definidos por su centro de masas.

Según sus cálculos se podrían ver señales de la gravedad semiclásica en objetos macroscópicos, pues bastaría con comprobar la desviación del centro de masas de un objeto (un objeto cristalino por ejemplo) del comportamiento esperado según este se mueve.

Otra señal sería que la gravedad clásica, actuando sobre objetos macroscópicos cuánticos, no pueda usarse para transferir incertidumbres cuánticas entre dos objetos.

Además hallaron otro resultado sobre las frecuencias de los valores esperados de posición y momento.

Todos estos efectos son muy sutiles, pero medibles de una manera relativamente sencilla con la tecnología de laboratorio actual con sistemas optomecánicos.

Así que es de esperar que pronto algún investigador se ponga manos a la obra y realice los oportunos experimentos.

Cualquier resultado, positivo, negativo o nulo, sería de utilidad para guiar las teorías.

Además este tipo de montajes podrían servir para testar otras ideas.

Parece ser que el grupo de Nergis Mavalvala en el MIT, el de Thomas Corbitt¡ en Louisiana State Universiity, el de Michael Tobar en Western Australia University y el de Markus Aspelmeyer en la Universidad de Viene podrían estar interesados en este asunto.

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