Miércoles, 08 Septiembre 2021 09:46

¿UNA SOLUCIÓN PARA EL MAYOR PROBLEMA DE LA FISICA?

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El secreto que permitirá conciliar la Relatividad y la Mecánica Cuántica podría estar oculto en las ondas gravitacionales

¿Por qué la Relatividad General de Einstein y la Mecánica Cuántica no son compatibles entre sí? Ese es uno de los mayores misterios de la Ciencia. Uno con el que la Física lleva lidiando varias décasas sin que de momento se vislumbre una solución. En ambos casos, se trata de teorías que han demostrado mil veces su efectividad y su gran capacidad de predicción, cosechando éxito tras éxito y superando todas las pruebas y escrutinios a los que han sido sometidas. Ambas, en efecto, describen con acierto el mundo que nos rodea, aunque a escalas muy distintas.

Las leyes de la relatividad, en efecto, gobiernan el comportamiento del Universo a gran escala, dictan cómo los objetos, desde planetas a

 galaxias enteras, se relacionan a través de la gravedad y dan lugar a las enormes estructuras de materia que podemos ver a nuestro alrededor. Según la relatividad, la gravedad es una característica de todo el espaciotiempo.

La Mecánica Cuántica, por su parte, hace lo mismo, aunque en el reino de las partículas subatómicas, de lo infinitamente pequeño. Y allí, sorprendentemente, las leyes cambian. Los efectos de la relatividad apenas se sienten en el diminuto mundo cuántico, del mismo modo que los efectos cuánticos resultan despreciables en los dominios de la relatividad. Ambos mundos, el de lo grande y el de lo pequeño, están gobernados por leyes totalmente distintas. Y lo que es peor, incompatibles entre sí. ¿Cómo es posible que los "ladrillos" más básicos de la realidad se comporten de forma tan distinta a los 'conjuntos de ladrillos' que son los objetos que nos rodean? ¿Cómo puede ser que las leyes que rigen un mundo no se apliquen también en el otro?

Si tuviéramos que elegir algo donde esas diferencias se vuelven del todo insoportables para los físicos, ese algo sería indiscutiblemente la gravedad. Los científicos conocen cuatro grandes fuerzas de la naturaleza: Electromagnetismo, fuerzas nucleares (fuerte y débil) y gravedad. Tres de esas cuatro fuerzas están 'cuantificadas', es decir, que existe una unidad mínima de cada fuerza que es transportada por una partícula concreta. Así, los fotones son las 'partículas mensajeras' del electromagnetismo, mientras que los gluones y los bosones W y Z son, respectivamente, las partículas mensajeras que se encargan de las fuerzas nucleares: la fuerza nuclear 'fuerte', responsable de la cohesión de los núcleos atómicos; y la fuerza nucler 'débil', responsable de todos los fenómenos de descomposición radiactiva que se dan en la Naturaleza.

Pero ¿Qué hay de la cuarta fuerza? La gravedad, en efecto, se resiste a ser 'cuantificada'. Y a pesar de que los físicos creen que debería haber, como en las demás fuerzas, una partícula encargada de transportar la cantidad mínima de gravedad, nadie ha conseguido aún encontrar esa partícula, que desde hace décadas los científicos conocen como 'gravitón'. Lo cual deja a la física fundamental y a nuestro conocimiento del Universo como algo que se compone de dos partes que no encajan entre sí. Si queremos tener, por fin, una imagen coherente del mundo que nos rodea, es necesario combinar esas dos mitades.

Hoy, la buena noticia es que un equipo de investigadores dirigidos por Maulik Parikh, de la Universidad Estatal de Arizona, podría haber dado un paso importante para detectar la 'naturaleza cuántica' de la gravedad, es decir, para encontrar por fin a los gravitones. Y esa forma tiene que ver con las ondas gravitacionales, las 'ondulaciones' en el tejido mismo del espaciotiempo causadas por fenómenos violentos (colisiones de agujeros negros o explosiones de supernovas) y que recorren el Universo como las ondas de agua que se forman en un lago cuando tiramos una piedra. Según explican Parikh y sus colegas en un estudio que aparece esta semana en ' Physical Review Letters', el modo en que las fluctuaciones cuánticas afectan a las ondas gravitacionales podría ayudar a los físicos a resolver el problema de una vez y para siempre.

A la caza del gravitón

Después de varias décadas de esfuerzo, los científicos han llegado a la conclusión de que los niveles de energía a los que serían evidentes los efectos cuánticos sobre el comportamiento de la gravedad son extremadamente altos, mucho más allá del alcance de nuestros mayores acereradores de partículas. Sin embargo, Pahrik y su equipo creen que un lugar en el que encontrar esos niveles de energía extremadamente altos son, precisamente, los eventos astronómicos que producen ondas gravitacionales, algunos de los sucesos más violentos de todo el Universo.

La idea puede parecer complicada, pero resulta aplastantemente lógica. Las ondas producidas por campos cuanticos, como la luz, son a la vez ondas y partículas (fotones). Por lo tanto, si también los campos gravitacionales son cuánticos, entonces también las ondas gravitacionales deberían comportarse como partículas. Y esas partículas (hoy aún hipotéticas) son los gravitones.

En su estudio, Parikh y su equipo explican que los gravitones podrían causar sutiles alteraciones en las señales de ondas gravitacionales. Y esas alteraciones podrían detectarse con los observatorios actuales de ondas gravitacionales.

«Es posible -asegura Parikh- que la naturaleza cuántica de la gravedad no esté tan fuera del alcance de los detectores de ondas gravitacionales. Y tal vez haya una firma experimental detectable en ella. Nuestra predicción es que existe una especie de 'ruido', una granulosidad en la gravedad, y las características de ese ruido dependen del estado cuántico del campo gravitacional».

Según el estudio, ese 'ruido' podría aislarse del que procede de otras fuentes externas, y distinguirse entre todos porque, a diferencia de un 'ruido local' que afectara a un solo detector, se manifestaría exactamente de la misma forma en todos los detectores al mismo tiempo. Ser capaces de observar ese ruido aportaría la prueba de que la gravedar es realmente una fuerza cuántica.

¿Pero cómo sería exactamente el ruido que hay que buscar?

Parikh y su equipo trabajan ahora justo en esa cuestión, y están realizando ya modelos de cómo se vería ese ruido cuántico en las detecciones de ondas gravitacionales de la vida real, para que los científicos puedan buscarlo a partir de ahora. Si finalmente lo encontraran, se habría dado un paso de gigante hacia la unificación de la gravedad con la mecánica cuántica. «Toda la historia de la gravedad -concluye Parikh- es en realidad la historia del espacio y el tiempo. En una teoría del todo, esperaríamos que el espacio, el tiempo y la materia fueran uno, y observar esto sería un gran paso para demostrarlo».

Fuente: ABC Ciencia

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