¿Qué novedades hay en la dificultad cuántica de lazos? | Las científicas responden

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La gravedad cuántica de bucles es un intento de reconciliar la teoría de la gravedad con la teoría cuántica. Hasta la fecha, aunque tenemos descripciones cuánticas para el resto de las interacciones de la naturaleza, no hemos logrado una teoría cuántica completamente satisfactoria de la gravedad. Sí, hay varias propuestas y una de ellas es este anillo de gravedad cuántica. El nombre de enlaces se refiere a estructuras matemáticas que se utilizan en teoría, basadas en integrales de caminos cerrados o enlaces, es un tecnicismo.

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Podemos preguntarnos por qué necesitamos tal teoría. La respuesta es que físicamente, es decir, desde nuestra comprensión de la naturaleza, tenemos regímenes que no podemos describir. La relatividad general es la teoría que mejor describe el fenómeno gravitacional hasta la fecha, pero hay problemas en los que falla. En particular, los momentos iniciales del universo. Si aplicamos la relatividad general a la física del universo temprano, nos encontramos con lo que llamamos la singularidad inicial, a veces llamada la singularidad del Big Bang. Allí falla la teoría de la relatividad general. Tampoco tenemos una teoría que describa la física del interior de los agujeros negros.

Una teoría de la gravedad cuántica busca un marco teórico coherente y bien definido para la física en esas regiones. En estos regímenes la densidad de energía es muy alta, al igual que las curvaturas, por lo que es lógico pensar que ahí el campo gravitacional, o lo que llamaríamos la geometría del espacio-tiempo, deja de tener un carácter clásico para tener una naturaleza cuántica. .

La gravedad cuántica en anillo es una de las propuestas. No es lo que algunos llamarían una teoría del todo, ya que de momento no pretende unificar el fenómeno gravitacional con el resto de interacciones. Es un poco más humilde, por ejemplo, que la teoría de cuerdas que busca esa unificación. Lo que busca la teoría cuántica de la gravedad de bucles es cuantificar la gravedad, aunque con la idea de que el formalismo permite incorporar el resto de interacciones.

No es lo que algunos llamarían una teoría del todo, ya que de momento no pretende unificar el fenómeno gravitacional con el resto de interacciones.

Surgió a fines de la década de 1980 y permanece incompleta hasta el día de hoy, estrictamente hablando. Pero en los últimos años se ha avanzado mucho en su desarrollo, en varios aspectos. Uno de los límites es el número de personas que trabajan allí, que son unos pocos cientos, unas cuatrocientas o quinientas personas.

Trabajo principalmente en lo que llamamos cosmología cuántica de bucles. Se trata de aplicar las técnicas e ideas de esta teoría en un contexto que no es general, sino más específico, aplicado a la cosmología, al universo. Uno de los resultados más importantes que se logró, hace unos quince años, es que en el régimen en el que ocurren las singularidades clásicas, es decir, con densidades de energía muy altas, el modelo cuántico que obtenemos nos dice que a esas escalas la gravedad se vuelve repulsiva. y el universo deja de presentar esa singularidad. Y podemos calcular huellas dactilares cuánticas en observables cosmológicos. Durante unos treinta años, el fondo cósmico de microondas, que son los fotones primordiales que nos llegan desde las primeras etapas del universo, se ha medido con gran precisión. Es como una fotografía del universo cuando era muy, muy, muy joven, cuando los fotones se desacoplaban de la materia y se emitían libremente. La idea es que estos fotones podrían proporcionarnos una ventana para medir los efectos de la gravedad cuántica porque en su distribución podríamos encontrar información sobre la naturaleza cuántica del universo antes de que estos fotones fueran emitidos. Si la dinámica del universo fuera diferente de lo que predice la relatividad general cuando se forman esas correlaciones, podríamos medirlas. Estamos trabajando en ello.

La dificultad que tenemos con la gravedad cuántica es que no podemos hacer experimentos. Las escalas de energía en las que operamos son muy superiores a las que podemos producir en nuestros laboratorios. Para que os hagáis una idea, las escalas de energía más altas que hemos alcanzado en el laboratorio son las alcanzadas en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) que es el acelerador de partículas más grande del mundo. En el LHC se han alcanzado energías del orden de teraelectron voltios o 1012 electronvoltios, pero cuando se trata de gravedad cuántica, las escalas de energía son del orden de 1016 teraelectrones voltios. Es decir, órdenes de magnitud mucho más altas de lo que podemos probar. Es por eso que necesitamos poder predecir los efectos observables y medirlos. Las dos ventanas más prometedoras para medir los efectos de la gravedad cuántica son precisamente el universo temprano y la física de los agujeros negros.

En cuanto a la física de los agujeros negros, en principio, nuestra visión clásica de los agujeros negros es que el espacio-tiempo se descompone dentro de ellos. Pero esto se debe a que estamos aplicando la relatividad general en un régimen en el que la misma teoría nos dice que no funciona. En mi opinión, sería mucho más natural si llegara un momento en el que el agujero negro fuera sostenido. En la relatividad general, el colapso gravitacional nunca se detiene. Cuando se compacta la materia dentro de un agujero negro, si aplicamos la relatividad general, ese colapso nunca se detiene y llegamos a esa materia que debe concentrarse en un solo punto, una singularidad. Pero digamos que hay efectos cuánticos allí, y esos son los que estamos tratando de describir con la gravedad cuántica de bucle, que detendría ese colapso y estabilizaría ese objeto que llamamos agujero negro. Y por dentro, ya sabes cómo es. La materia probablemente se encuentra en un estado exótico que nuestras leyes físicas actuales no describen.

Mercedes Martín-Benito Es Doctora en Física Teórica, profesora e investigadora de la Universidad Complutense de Madrid.

Pregunta enviada por correo electrónico desde Ana Enríquez de Salamanca

Coordinación y redacción: Victoria Toro

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