¿Entramos en la era postcuántica? Una nueva teoría revoluciona 70 años de física fundamental

Una nueva teoría física reconcilia la incompatibilidad entre la teoría cuántica y la gravedad: propone dejar la gravedad como una teoría clásica y acoplarla a la teoría cuántica introduciendo probabilidad en el espacio-tiempo. ¿Entramos en la era postcuántica?

En julio pasado, la revista Quanta anunciaba algo que ahora se ha hecho realidad: una nueva teoría que resuelve la incompatibilidad entre la teoría cuántica y la gravedad. Sugiere que la gravedad cuántica podría ser una quimera, toda una revolución conceptual que traerá cola.

La física es la ciencia que estudia la naturaleza y sus leyes, desde las partículas más pequeñas hasta las galaxias más grandes. Sin embargo, a pesar de los enormes avances que se han logrado en los últimos siglos, todavía hay un gran misterio que desafía a los físicos: ¿cómo se relaciona la gravedad con la mecánica cuántica?

La nueva teoría proporciona una interesante propuesta al respecto, aparentemente contundente pero no por ello exenta de polémica.

Cuestión de relatividad…

La gravedad es la fuerza que mantiene unidos a los planetas, las estrellas y los agujeros negros. La mejor descripción que tenemos de la gravedad es la relatividad general, la teoría que formuló Albert Einstein en 1915.

Según esta teoría, la gravedad no es una fuerza como las demás, sino que es una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo, el tejido que une las dimensiones de espacio y tiempo. La presencia de masa o energía deforma el espacio-tiempo, y esta deformación determina el movimiento de los objetos, por ejemplo los celestes.

La relatividad general ha pasado con éxito todas las pruebas experimentales que se le han hecho, y ha permitido explicar fenómenos como la dilatación del tiempo, la contracción de la longitud, el desvío de la luz, las ondas gravitacionales y los agujeros negros.

… y de mecánica cuántica

La mecánica cuántica es la teoría que describe el comportamiento de las partículas más pequeñas, como los electrones, los fotones y los quarks. Se desarrolló a principios del siglo XX, con la contribución de muchos físicos, entre ellos el propio Einstein.

Según esta teoría, las partículas cuánticas no tienen una posición o una velocidad definidas, sino que se encuentran en una superposición de estados posibles, que solo se determinan al ser observadas.

La mecánica cuántica también predice que las partículas pueden estar en entrelazamiento cuántico, es decir, conectadas a distancia de tal forma que al medir el estado de una se afecta al estado de la otra, sin importar lo lejos que estén.

La mecánica cuántica ha sido la base de la física moderna, y ha permitido explicar fenómenos como el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, el efecto túnel, el espectro atómico, el láser y la computación cuántica.

¿Gravedad cuántica?

La gravedad y la mecánica cuántica son los dos pilares de la física moderna, pero hay un problema: no son compatibles entre sí. Cuando se intenta aplicar la mecánica cuántica a la gravedad, se obtienen resultados absurdos e infinitos, que no tienen sentido físico.

Esto significa que hay algo que no entendemos sobre la naturaleza de la gravedad, o sobre la naturaleza de la mecánica cuántica, o sobre ambas.

Por eso, los físicos buscan una teoría que unifique la gravedad y la mecánica cuántica, una teoría que explique todo: en las últimas décadas se ha hablado mucho de gravedad cuántica.

Gran desafío

La gravedad cuántica es uno de los mayores desafíos de la física teórica, y también uno de los más fascinantes. Se trata de una teoría llamada a describir la gravedad según los principios de la mecánica cuántica, es decir, teniendo en cuenta la incertidumbre, la probabilidad y el entrelazamiento de las partículas.

La gravedad cuántica nos permitiría entender cómo se comporta la gravedad en entornos en los que no se pueden ignorar los efectos gravitacionales ni los cuánticos, como en las proximidades de los agujeros negros o en los primeros instantes del universo después del Big Bang.

La gravedad cuántica también podría resolver algunos de los problemas y las paradojas que surgen al intentar combinar la relatividad general con la mecánica cuántica, como el problema del tiempo, el problema de la información, el problema de la energía oscura y el problema de la singularidad.

¡Complicado!

Sin embargo, encontrar una teoría de la gravedad cuántica no ha sido ni es una tarea fácil. Hay muchos candidatos a una teoría de la gravedad cuántica, pero ninguno de ellos ha sido confirmado por la evidencia experimental.

Algunos de los candidatos más conocidos son la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y otras teorías. Todas intentan abordar el problema de la gravedad cuántica desde diferentes perspectivas y con diferentes supuestos, pero todas ellas tienen sus ventajas y sus inconvenientes. Nada concluyente.

Nueva aproximación

La nueva teoría que concilia gravedad y mecánica cuántica se enmarca en este contexto de búsqueda incansable por el resolver su incompatibilidad.

Ha sido desarrollada y probada por un equipo de científicos que gira en torno a Jonathan Oppenheim, físico del University College de Londres. Esta teoría postcuántica aparece publicada en la revista Physical Review X (PRX) y el experimento que certifica su consistencia se ha publicado a su vez en Nature Communications. Ambas el mismo día.

Según explica al respecto la revista Physics, la nueva teoría propone dejar la gravedad como una teoría clásica y acoplarla a la teoría cuántica insertando probabilidad en la evolución del espacio-tiempo. Eso significa que la gravedad cuántica podría ser un espejismo.

Propuesta original

La teoría de Oppenheim representa una de las propuestas más originales y provocativas de la gravedad, ya que plantea que la gravedad no necesita “hacerse cuántica” para ser compatible con la mecánica cuántica. Puede ser perfectamente clásica sin necesitar el soporte de los cuantos.

Considera que ambos sistemas interactúan de una forma especial: uno (la gravedad) comportándose según la física clásica mientras que el otro (la mecánica cuántica) siguiendo las pautas cuánticas. Y lo ha comprobado experimentalmente: las partículas pesadas pueden causar un efecto cuántico (un patrón de interferencia) y al mismo tiempo doblar el espacio-tiempo (crear gravedad de forma aleatoria, como jugando a los dados).

Esto implica que la gravedad podría ser una propiedad emergente de la materia, y no una característica intrínseca del espacio-tiempo, como decía Einstein.

También significa que la gravedad podría ser diferente de las otras fuerzas de la naturaleza, que sí se describen mediante la teoría cuántica de campos: es la que aplica los principios de la mecánica cuántica a los sistemas clásicos de campos continuos, como por ejemplo el campo electromagnético.

Desafío teórico

La teoría de Oppenheim desafía la visión convencional de que la gravedad debe ser descrita por la teoría cuántica de campos, y abre nuevas posibilidades y preguntas sobre la naturaleza de la gravedad y de la mecánica cuántica.

Según esta teoría, la gravedad surge de las interacciones que mantiene con las partículas cuánticas, particularmente con los procesos conocidos como el entrelazamiento cuántico (que vincula inexplicablemente a partículas que están distantes entre sí) y el colapso de la función de onda (que convierte el limbo cuántico en partículas “reales”).

La teoría sugiere, además, que el espacio-tiempo es una red dinámica de entrelazamientos cuánticos que dan soporte a la gravedad y que cambian constantemente según las fluctuaciones cuánticas, una idea que también se aleja de lo que pensaba Einstein.

Información y agujeros negros

La teoría se basa en los principios de la información cuántica, que estudia cómo la información se codifica, procesa y transmite en los sistemas cuánticos. Representa un intento de resolver el problema de la información de los agujeros negros.

Según la teoría cuántica estándar, un objeto que entra en un agujero negro debería ser irradiado de alguna manera, ya que la información no puede destruirse completamente.

Sin embargo, esta suposición viola la relatividad general, que dice que nunca se puede saber acerca de los objetos que cruzan el horizonte de sucesos de un agujero negro.

Revolución conceptual

La nueva teoría permite que la información sea destruida dentro de un agujero negro, lo que representa una violación de las leyes de la naturaleza porque ningún sistema físico, hasta ahora, se ha destruido completamente.

Aunque por un lado es una teoría conservadora (preserva la naturaleza clásica de la relatividad general), por otro lado va en contra de 70 años de sabiduría aceptada por la comunidad de la física fundamental, según Physics, que añade: ha comenzado la carrera para determinar si esta nueva propuesta prevalecerá sobre los enfoques establecidos. Como anticipó Quanta, esta teoría dará mucho que hablar.

Referencias

A postquantum theory of classical gravity? Jonathan Oppenheim. Phys. Rev. X 13, 041040; 4 December 2023. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.041040

Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity. Jonathan Oppenheim et al. Nature Communications, volume 14, Article number: 7910 (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-43348-2