Tenemos todas las razones para creer que la gravedad es inherentemente una teoría cuántica. Pero, ¿cómo podemos probar esto de una vez por todas? La Dra. Sabina Nossenfelder, física teórica, experta en gravedad cuántica y física de altas energías, habla de esto. Más lejos de la primera persona.
Si tienes buena vista, los objetos más pequeños que puedas ver serán aproximadamente una décima de milímetro: aproximadamente el ancho de un cabello humano. Agregue tecnología, y la estructura más pequeña que hemos podido medir hasta ahora era de unos 10-19 metros, que es la longitud de onda de los protones que chocan en el LHC. Nos tomó 400 años pasar del microscopio más primitivo a la construcción del LHC, una mejora de 15 órdenes de magnitud durante cuatro siglos.
Se estima que los efectos cuánticos de la gravedad se vuelven relevantes a escalas de distancia de aproximadamente 10-35 metros, conocidas como la longitud de Planck. Este es otro camino de 16 órdenes de magnitud u otro factor de 1016 en términos de energía de colisión. Esto hace que uno se pregunte si esto es posible, o si todos los esfuerzos para tratar de encontrar una teoría cuántica de la gravedad serán para siempre una ficción ociosa.
Soy optimista. La historia de la ciencia está llena de gente que pensaba que mucho era imposible, pero en realidad resultó ser al revés: midiendo la desviación de la luz en el campo gravitacional del sol, máquinas más pesadas que el aire, detectando ondas gravitacionales. Por lo tanto, no considero imposible probar experimentalmente la gravedad cuántica. Puede llevar decenas o cientos de años, pero si seguimos moviéndonos, algún día podríamos medir los efectos de la gravedad cuántica. No necesariamente al alcanzar directamente los siguientes 16 órdenes de magnitud, sino más bien mediante detección indirecta a energías más bajas.
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Pero de la nada nada nace. Si no pensamos en cómo podrían manifestarse los efectos de la gravedad cuántica y dónde podrían aparecer, definitivamente nunca los encontraremos. Mi optimismo está alimentado por un creciente interés en la fenomenología de la gravedad cuántica, un área de investigación dedicada al estudio de la mejor manera de buscar las manifestaciones de los efectos de la gravedad cuántica.
Dado que no se ha inventado una teoría coherente para la gravedad cuántica, los esfuerzos actuales para encontrar fenómenos observables se centran en encontrar formas de probar las características generales de la teoría, mediante la búsqueda de propiedades que se han encontrado en algunos enfoques diferentes de la gravedad cuántica. Por ejemplo, las fluctuaciones cuánticas en el espacio-tiempo o la presencia de una "longitud mínima" que marcará el límite fundamental de resolución. Dichos efectos podrían determinarse utilizando modelos matemáticos, y luego podría estimarse la fuerza de estos posibles efectos y comprender qué experimentos podrían dar los mejores resultados.
Probar la gravedad cuántica se ha considerado durante mucho tiempo fuera del alcance de los experimentos, a juzgar por las estimaciones, necesitamos un colisionador del tamaño de la Vía Láctea para acelerar los protones lo suficiente como para producir una cantidad medible de gravitones (cuantos del campo gravitacional), o necesitamos un detector del tamaño de Júpiter para medir los gravitones que nacen en todas partes. No es imposible, pero ciertamente no es algo que debería esperarse en un futuro próximo.
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Sin embargo, estos argumentos se refieren únicamente a la detección directa de gravitones, y esta no es la única manifestación de los efectos de la gravedad cuántica. Hay muchas otras consecuencias observables que la gravedad cuántica puede generar, algunas de las cuales ya hemos buscado y otras planeamos buscar. Hasta ahora, nuestros resultados son puramente negativos. Pero incluso los negativos son valiosos, porque nos dicen qué propiedades puede que no tenga la teoría que necesitamos.
Una consecuencia comprobable de la gravedad cuántica, por ejemplo, puede ser la ruptura de la simetría, fundamental para la relatividad especial y general, conocida como invariancia de Lorentz. Curiosamente, las violaciones de la invariancia de Lorentz no son necesariamente pequeñas, incluso si se crean a distancias demasiado pequeñas para ser observadas. La ruptura de la simetría, por otro lado, se filtrará a través de las reacciones de muchas partículas a las energías disponibles con una precisión increíble. Aún no se ha encontrado evidencia de violaciones de la invariancia de Lorentz. Puede parecer escaso, pero sabiendo que esta simetría debe observarse con el mayor grado de precisión en la gravedad cuántica, puede usar esto para desarrollar una teoría.
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Otras consecuencias comprobables podrían estar dentro del campo débil de la gravedad cuántica. En el Universo temprano, las fluctuaciones cuánticas en el espacio-tiempo deberían haber llevado a que surgieran fluctuaciones de temperatura en la materia. Estas fluctuaciones de temperatura se observan en la actualidad, quedando impresas en la radiación de fondo (CMB). La huella de "ondas gravitacionales primarias" en el fondo cósmico de microondas aún no se ha medido (LIGO no es lo suficientemente sensible para ello), pero se espera que esté dentro de uno o dos órdenes de magnitud de la precisión de medición actual. Muchas colaboraciones experimentales están trabajando en busca de esta señal, incluyendo BICEP, POLARBEAR y el Observatorio Planck.
Otra forma de probar el límite del campo débil de la gravedad cuántica es intentar introducir objetos grandes en una superposición cuántica: objetos que son mucho más pesados que las partículas elementales. Esto hará que el campo gravitacional sea más fuerte y potencialmente probará su comportamiento cuántico. Los objetos más pesados que hasta ahora hemos logrado vincular en una superposición pesan alrededor de un nanogramo, que es varios órdenes de magnitud menos de lo que se necesita para medir el campo gravitacional. Pero recientemente un grupo de científicos de Viena propuso un esquema experimental que nos permitiría medir el campo gravitacional con mucha más precisión que antes. Nos acercamos lentamente al rango de gravedad cuántica.
(Tenga en cuenta que este término difiere en astrofísica, donde "gravedad fuerte" a veces se usa para referirse a otra cosa, como grandes desviaciones de la gravedad newtoniana que se pueden encontrar cerca de los horizontes de eventos de los agujeros negros).
Los fuertes efectos de la gravedad cuántica también podrían dejar una huella (además de los efectos de campo débil) en CMB (radiación relicta), en particular en el tipo de correlaciones que se pueden encontrar entre las fluctuaciones. Existen varios modelos de cosmología de cuerdas y cosmología de bucle cuántico que estudian las consecuencias observables, y experimentos propuestos como EUCLID, PRISM y luego WFIRST pueden encontrar indicaciones tempranas.
Existe otra idea interesante, basada en un hallazgo teórico reciente, según la cual el colapso gravitacional de la materia no siempre puede formar un agujero negro: todo el sistema evitará la formación del horizonte. Si es así, el objeto restante nos dará una vista de la región con efectos gravitacionales cuánticos. Sin embargo, no está claro qué señales debemos buscar para encontrar tal objeto, pero esta es una dirección de búsqueda prometedora.
Hay muchas ideas. Una gran clase de modelos se ocupan de la posibilidad de que los efectos gravitacionales cuánticos otorguen al espacio-tiempo las propiedades de un medio. Esto puede producir dispersión de la luz, birrefringencia, decoherencia u opacidad del espacio vacío. No se puede contar todo a la vez. Pero, sin duda, aún queda mucho por hacer. La búsqueda de pruebas de que la gravedad sea de hecho una fuerza cuántica ya ha comenzado.
ILYA KHEL
