Un nuevo enfoque para la unificación de la Teoría General de la Relatividad y la Teoría Cuántica
La física de hoy no puede describir lo que ocurrió en el Big Bang. La Teoría Cuántica y la Teoría de la Relatividad fallan en este estado primitivo casi infinitamente denso y caliente del universo. Solo una teoría que lo abarque todo, como la de la gravedad cuántica, y unifique los dos pilares básicos de la física podría proporcionar una idea de cómo empezó el universo. Científicos del Instituto Max Placnk de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) en Golm en Postdam y el instituto Perimeter en Canadá han realizado un importante descubrimiento sobre este tema. Según su teoría, el espacio se compone de pequeños “bloques de construcción”. Tomando esto como punto de partida, los científicos llegan a una de las ecuaciones fundamentales de la cosmología, la ecuación de Friedmann, la cual describe el universo. Esto demuestra que la mecánica cuántica y la relatividad general se pueden realmente unificar.
Durante casi un siglo, las dos grandes teorías de la física han coexistido, pero han sido irreconciliables: mientras que la Teoría General de la Relatividad de Einstein describe la gravedad y por lo tanto el mundo en general, la física cuántica describe el mundo de los átomos y de las partículas elementales. Ambas teorías funcionan muy bien dentro de sus propios límites, sin embargo, estas se vienen abajo cuando se aplican a ciertas regiones extremas, en las que las distancias son extremadamente pequeñas, es lo que se denomina escala de Planck. El espacio y el tiempo por lo tanto, no tienen ningún significado en los agujeros negros o, sobre todo, durante el Big Bang.
Daniele Oriti del Instituto Albert Einstein utiliza un líquido para ilustrar esta situación: “Podemos describir el comportamiento del agua con la tan conocida teoría clásica de la Hidrodinámica. Pero si vamos avanzando hacia escalas cada vez más pequeñas hasta encontrarnos con átomos individuales esta teoría ya no se puede aplicar. Entonces necesitamos la física cuántica. Así como un líquido formado por átomos, Oriti imagina un espacio compuesto de pequeñas células o “átomos de espacio”, y se requiere una nueva teoría para describirlas: la gravedad cuántica.
En algunas modernas teorías de la gravedad cuántica el espacio consta de diminutas células primarias o “átomos de espacio” para tratas de unificar la Relatividad General y la Mecánica Cuántica. Esta teoría debería hacer posible una descripción de la evolución del universo desde el Big Bang hasta hoy dentro de una única teoría.
El espacio continuo se divide en células primarias
En la teoría de la Relatividad de Einstein el espacio es un continuo. Ahora, Orti rompe este espacio en pequeñas células primarias para aplicarles los principios de la Física Cuántica. Esta es la idea de la unificación.
El problema fundamental de todas las aproximaciones hacia la gravedad cuántica consiste en la reducción a escala dimensional del tamaño de los átomos a las dimensiones del universo. Aquí es donde Orti, su colega Lorenzo Sindoni y Steffen Gielen, un ex investigador postdoctoral en el IBM, que ahora investiga en el Instituto Perimeter de Canadá, han tenido éxito. Su enfoque se basa en la teoría de campo de grupo. Esto está estrechamente relacionado con la gravedad cuántica de bucles, que la AEI ha venido desarrollando desde hace algún tiempo.
La tarea consistía ahora en la descripción de como el universo evoluciona a partir de las células elementales. Siguiendo con la idea de los fluidos: ¿Cómo puede la teoría de la hidrodinámica del flujo del agua derivar hacia una teoría de los átomos?
Esta tarea matemática tan exigente llevo recientemente a un éxito sorprendente: “Bajo unos supuestos especiales, el espacio se crea a partir de estos bloques de construcción, y evoluciona como un universo en expansión”, explica Orti. “Por primera vez, hemos sido capaces de obtener la ecuación de Friedmann directamente como parte de nuestra teoría completa de la estructura del espacio”, añade. Esta ecuación fundamental que describe la expansión del universo fue derivada por el matemático ruso Alexander Friedmann en 1920 sobre las bases de la Teoría General de la Relatividad. Por tanto, los científicos han tenido éxito en la reducción de la brecha entre el micromundo y el macromundo, por lo que la Mecánica Cuántica y la Relatividad General muestran que el espacio emerge como el condensado de estas células primarias y evoluciona hacia un universo que se asemeja al nuestro.
Ahora la Gravedad Cuántica puede responder a cuestiones sobre el Big Bang
Por lo tanto, Oriti y sus colegas se ven al principio de un prometedor pero difícil viaje. Su solución actual solo es válida para un universo homogéneo, pero nuestro mundo real es mucho más complejo. Contiene heterogeneidades como planetas, estrellas y galaxias. Los físicos están trabajando para su inclusión en la teoría.
Han planeado algo muy importante como su objetivo final. Por un lado, quieren investigar si es posible describir el espacio, incluso durante el Big Bang. Hace unos años, el ex investigador del AEI Martin Bojowald encontró indicios, como parte de una versión simplificada de la Gravedad Cuántica de Bucles, en la que el tiempo y el espacio posiblemente se remonten a través del Big Bang. Con su teoría, Oriti y sus colegas esperan confirmar o mejorar este resultado.
Si continua con su éxito, los investigadores la podrían tal vez utilizar también la supuesta expansión inflacionaria del universo poco después del Big Bang y la misteriosa naturaleza de la energía oscura. Esta energía es la causante de que el universo se expanda a un ritmo cada vez mayor.
Asi, Oriti y Loremzo Sindoni añaden: “Solo seremos capaces de entender realmente la evolución del universo cuando tengamos una teoría de la Gravedad Cuántica”.
Instituto Max Planck
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