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1 de Junio de 2019
Física teórica

Rescatar la gravedad

Puede que una teoría cuántica de la gravedad no requiera ideas radicales sobre la estructura microscópica del espacio y el tiempo. Una prometedora alternativa, la gravedad asintóticamente segura, aboga por reexaminar las ideas tradicionales desde una nueva perspectiva.

Resolver las singularidades: La teoría de la relatividad general predice la existencia de puntos en los que la curvatura del espaciotiempo se torna infinita. Hace tiempo que los físicos creen que incorporar los efectos cuánticos de la gravedad debería solucionar esta anomalía. [© KATJABAKUROVA/ISTOCKPHOTO/GETTY IMAGES]

En síntesis

Uno de los grandes retos de la física teórica es entender el encaje de la gravedad y la física cuántica. Al considerar distancias más y más pequeñas, los cálculos tradicionales arrojan cantidades infinitas que no se cancelan. Ello anula la capacidad predictiva de la teoría.

Debido a esas dificultades, otros formalismos propuestos a lo largo de los años para cuantizar la gravedad, como la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles, han planteado hipótesis completamente nuevas sobre la estructura microscópica del universo.

Los últimos años han visto resurgir un programa alternativo conocido como «gravedad asintóticamente segura». Según este, no sería necesario hacer ningún postulado radical sobre el mundo microscópico; bastarían las herramientas habituales de la teoría cuántica de campos.

Dicho enfoque propone que, a pequeñas distancias, el espaciotiempo sería como un fractal: sus propiedades no cambiarían por más que examinásemos escalas cada vez menores. Ello evitaría la aparición de cantidades infinitas en los cálculos y haría que la teoría fuese predictiva.

Gran parte de la fascinación que ejercen los agujeros negros proviene de preguntarse qué esconden en su interior. Hasta ahora los astrónomos han obtenido indicios de su existencia en distintos lugares del universo. Por lo que sabemos, algunos se forman tras la explosión de estrellas decenas de veces más masivas que el Sol; otros, muchísimo mayores, ocupan el centro de las galaxias. Estos enigmáticos objetos son además fuentes de ondas gravitacionales, lo que desde 2015 ha permitido investigarlos de una manera completamente nueva.

La teoría de la relatividad general de Einstein describe los agujeros negros con gran precisión. Según ella, estos objetos presentan tal concentración de masa que curvan el espaciotiempo hasta el extremo de no permitir que ni siquiera la luz pueda escapar de ellos. Pero, al mismo tiempo, los agujeros negros señalan uno de los puntos débiles de la relatividad general. Los cálculos revelan que, en su centro, la curvatura del espaciotiempo se torna infinita: una característica que los matemáticos denominan «singularidad». Hace décadas que los científicos buscan una explicación para este resultado. En física, una situación así revela que la teoría empleada no es completa. Obtener un resultado infinito como respuesta a una pregunta física nos indica que la teoría que estamos usando ha dejado de ser aplicable.

La teoría general de la relatividad efectúa predicciones detalladas en casi cualquier situación del universo conocido. Sin embargo, pierde su validez en el interior de los agujeros negros. Para describir esa región necesitaríamos disponer de un conocimiento más profundo del espaciotiempo. ¿Qué aspecto está obviando la relatividad general al describir la región próxima a una singularidad?

La física del vacío cuántico

La respuesta podría hallarse en la física cuántica. En las otras tres interacciones fundamentales de la naturaleza los efectos cuánticos desempeñan un papel clave. Sin embargo, no ocurre así en relatividad general. Esta proporciona una descripción clásica y determinista de la naturaleza, en la que las cantidades medibles toman siempre valores bien definidos. La teoría cuántica, en cambio, solo predice las probabilidades de los posibles resultados de una medición. Por ejemplo, la posición de un objeto cuántico no es siempre la misma, sino que fluctúa en torno a un valor medio. Pero la relatividad general, al ser una teoría clásica, no deja lugar a las probabilidades.

Las teorías de campos describen todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Como su nombre indica, en ellas las cantidades centrales son campos: magnitudes que toman un valor en cada instante del tiempo y en cada punto del espacio. Para visualizarlo, podemos imaginar un paisaje montañoso, en el que la altitud en cada punto representaría el valor del campo. En una teoría clásica, la altitud puede determinarse con tanta precisión como deseemos. Así ocurre en relatividad general, en la que el campo en cuestión es la métrica, la función que permite calcular la distancia entre dos puntos cercanos.

En una teoría cuántica de campos, estos no toman valores bien definidos, sino que fluctúan en torno a un valor medio. Un ejemplo visual nos lo proporciona la elevación de la superficie del mar. Medida desde un satélite, el resultado será un promedio espacial y temporal debido a la resolución limitada de los instrumentos. Las olas, por su parte, representan fluctuaciones en torno a dicho promedio. También podremos estimar la altura media de las olas, aunque no sabremos cómo calcular el valor preciso en un punto e instante dados. Algo parecido ocurre con los campos cuánticos. No obstante, la diferencia básica es que, en este caso, tales limitaciones no se deben a las deficiencias de nuestros instrumentos, sino a una incertidumbre intrínseca de la naturaleza.

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