Una nueva teoría de la gravedad acerca la tan buscada Teoría del Todo

Investigadores de la Universidad de Aalto han desarrollado una nueva teoría cuántica de la gravedad que la describe de forma compatible con el modelo estándar de la física de partículas.

Según los autores, finalmente una teoría unificada que combina la gravedad con las demás fuerzas fundamentales -el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil- está al alcance, abriendo la puerta a una mejor comprensión del origen del universo.

Integrar la gravedad ha sido el objetivo de generaciones de físicos, quienes han luchado por reconciliar la incompatibilidad de dos pilares de la física moderna: la teoría cuántica de campos y la teoría de la gravedad de Einstein.

Si bien el mundo de la física teórica puede parecer alejado de la tecnología aplicable, los hallazgos son notables. La tecnología moderna se basa en avances fundamentales como este; por ejemplo, el GPS de un teléfono inteligente funciona gracias a la teoría de la gravedad de Einstein.

Mikko Partanen y Jukka Tulkki describen su nueva teoría en un artículo publicado en Reports on Progress in Physics. El autor principal, Partanen, espera que, en pocos años, los hallazgos hayan abierto camino a una comprensión crucial.

"Si esto resulta en una teoría cuántica de campos completa de la gravedad, eventualmente dará respuestas a los arduos problemas de comprender las singularidades en los agujeros negros y el Big Bang", afirma en un comunicado.

TEORÍA DEL TODO

"Una teoría que describe coherentemente todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza a menudo se denomina teoría del todo", dice Partanen, aunque él mismo no prefiere usar este término. "Algunas preguntas fundamentales de la física aún permanecen sin respuesta. Por ejemplo, las teorías actuales aún no explican por qué hay más materia que antimateria en el universo observable".

La clave fue encontrar una manera de describir la gravedad en una teoría de gauge adecuada, un tipo de teoría en la que las partículas interactúan entre sí a través de un campo.

"El campo de gauge más conocido es el campo electromagnético. Cuando las partículas con carga eléctrica interactúan entre sí, lo hacen a través del campo electromagnético, que es el campo de gauge pertinente", explica Tulkki.

"Así pues, cuando tenemos partículas con energía, las interacciones que tienen, simplemente por tener energía, ocurrirían a través del campo gravitacional".

Un reto al que se enfrentan desde hace tiempo los físicos es encontrar una teoría gauge de la gravedad que sea compatible con las teorías gauge de las otras tres fuerzas fundamentales: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. El modelo estándar de física de partículas es una teoría gauge que describe estas tres fuerzas y presenta ciertas simetrías.

"La idea principal es tener una teoría gauge de la gravedad con una simetría similar a las simetrías del modelo estándar, en lugar de basar la teoría en el tipo muy diferente de simetría espacio-temporal de la relatividad general", afirma Partanen, autor principal del estudio.

Sin dicha teoría, los físicos no pueden reconciliar nuestras dos teorías más poderosas, la teoría cuántica de campos y la relatividad general. La teoría cuántica describe el mundo de lo muy pequeño (partículas diminutas que interactúan de forma probabilística), mientras que la relatividad general describe el mundo más complejo de los objetos familiares y su interacción gravitacional.

Son descripciones de nuestro universo desde diferentes perspectivas, y ambas teorías se han confirmado con una precisión extraordinaria; sin embargo, son incompatibles entre sí. Además, debido a la debilidad de las interacciones gravitacionales, se necesita mayor precisión para estudiar los verdaderos efectos de la gravedad cuántica más allá de la relatividad general, que es una teoría clásica.

"Se necesita una teoría cuántica de la gravedad para comprender qué tipo de fenómenos se producen en casos donde existe un campo gravitacional y altas energías", afirma Partanen. Estas son las condiciones alrededor de los agujeros negros y en el universo primitivo, justo después del Big Bang, zonas donde las teorías existentes en física dejan de funcionar.

Siempre fascinado por las grandes preguntas de la física, descubrió un nuevo enfoque basado en la simetría para la teoría de la gravedad y comenzó a desarrollar la idea con Tulkki. El trabajo resultante tiene un gran potencial para abrir una nueva era en la comprensión científica, de la misma manera que la comprensión de la gravedad allanó el camino para la creación del GPS, según aseguran.

INVITACIÓN ABIERTA A LA COMUNIDAD CIENTÍFICA

Aunque la teoría es prometedora, ambos señalan que aún no han completado su demostración. La teoría utiliza un procedimiento técnico conocido como renormalización, una forma matemática de abordar los infinitos que aparecen en los cálculos.

Hasta ahora, Partanen y Tulkki han demostrado que esto funciona hasta cierto punto -para los llamados términos de "primer orden"-, pero necesitan asegurarse de que los infinitos puedan eliminarse durante todo el cálculo.

"Si la renormalización no funciona para términos de orden superior, se obtendrán resultados infinitos. Por lo tanto, es vital demostrar que esta renormalización sigue funcionando", explica Tulkki. "Aún tenemos que realizar una demostración completa, pero creemos que es muy probable que tengamos éxito".