La búsqueda de la partícula cuántica de la gravedad: un paso hacia la comprensión del universo

La teoría cuántica de campos y la relatividad general son dos de las teorías fundamentales de la física moderna. La primera describe cómo las partículas elementales interactúan entre sí a través de campos cuánticos, mientras que la segunda describe cómo la materia y la energía deforman el espacio-tiempo para producir la gravedad.

Ambas teorías han sido extremadamente exitosas en sus respectivos dominios de aplicación, pero hay situaciones donde sería necesario combinarlas para describir un cierto fenómeno y ahí no hemos tenido tanto éxito. En la física de partículas elementales, los efectos cuánticos son esenciales para describir la interacción entre partículas subatómicas, mientras que en la cosmología, la relatividad general es necesaria para describir el universo a gran escala. Pero cuándo intentamos describir un agujero negro o los primeros instantes del universo, ambas teorías llegan a su límite y pensamos que una combinación cuidadosamente formulada podría ayudarnos a comprenderlos.

Sin embargo, existe un problema fundamental en la física teórica actual: estas dos teorías parecen ser incompatibles entre sí. Aunque ambas teorías son consistentes por sí solas, cuando se intentan combinar para describir la gravedad cuánticamente, surgen inconsistencias teóricas que aún no se han resuelto.

Una de las mayores dificultades radica en la naturaleza de la gravedad en sí misma. Mientras que en la teoría cuántica de campos, las fuerzas se transmiten a través de partículas cuánticas (los conocidos como bosones, como el fotón que transmite la fuerza electromagnética), no se ha encontrado una partícula cuántica que transmita la gravedad. Se cree que esta partícula cuántica debería ser el gravitón, pero aún no ha sido descubierto experimentalmente.

Además, la relatividad general predice que el espacio-tiempo se curva y se deforma bajo la influencia de la materia y la energía, lo que resulta en la gravedad. Pero en la teoría cuántica de campos, el espacio-tiempo es un fondo fijo y no cambia en respuesta a la presencia de partículas y campos cuánticos. Esto crea una tensión teórica entre las dos teorías que no hemos conseguido solventar.

Un nuevo estudio (que ha sido aprobado para su publicación en Physics of the Dark Universe en mayo) propone precisamente un método por el que podríamos observar indirectamente estos gravitones. Este estudio explica cómo las ondas gravitatorias (que llevamos unos años observando gracias a instrumentos como LIGO o VIRGO) podrían provocar la emisión de luz. Esto lo harían provocando una oscilación paramétrica, que no es más que una oscilación que se consigue no por la presencia de una fuerza externa, sino por el cambio de parámetros del sistema oscilante.

Si por ejemplo un niño está columpiándose, una vez ha adquirido cierta inercia, podrá extender y recoger su cuerpo para favorecer la oscilación y para hacerla más grande. Es decir, no ha necesitado que alguien le empuje desde fuera, sino que al cambiar la posición de su cuerpo ha cambiado la oscilación. Las ondas gravitatorias que atraviesan una región del espacio donde hay un campo electromagnético podrían provocar algo similar al contraer y estirar el propio espacio que ocupa dicho campo. Esto se favorecería en aquellos medios en los que la velocidad de la luz sea menor que en el vacío, como puede ser una nube de gas difusa que ocupe el medio intergaláctico (o como sería el agua, también). Esta oscilación del campo electromagnético podría resultar en la emisión de fotones de frecuencias concretas.

Pues bien, esto en última instancia lo que estaría implicando es una interacción en la que dos gravitones dan lugar a dos fotones. Para detectar esta emisión no solo podríamos buscar esa luz con unas características muy concretas, sino también buscar la atenuación correspondiente en las ondas gravitatorias que han provocado esa emisión.

El gravitón es una partícula hipotética que se cree que es la partícula elemental responsable de la fuerza gravitatoria. Se piensa que es el mensajero de la fuerza gravitatoria, de la misma manera que el fotón es el mensajero de la fuerza electromagnética. El concepto de gravitón proviene de la teoría cuántica de la gravedad, que es una teoría aún en desarrollo. En esta teoría, se cree que la gravedad se produce por el intercambio de gravitones entre partículas masivas.

Aunque todavía no se ha detectado directamente ningún gravitón, su existencia tendría implicaciones importantes en cosmología. Por ejemplo, se cree que los gravitones jugaron un papel importante en los primeros instantes del universo y en la formación de estructuras como galaxias y cúmulos de galaxias.

La importancia de reconciliar la teoría cuántica de campos con la relatividad general radica en la posibilidad de comprender fenómenos físicos aún más profundos y resolver algunos de los problemas más importantes de la física, como la naturaleza de la materia oscura, la física del Big Bang y la naturaleza de los agujeros negros.

Existen varias propuestas teóricas para una teoría cuántica de la gravedad, como la gravedad cuántica en bucles o la teoría de cuerdas entre otras. Todas estas teorías intentan reconciliar la teoría cuántica de campos y la relatividad general para describir la gravedad cuánticamente.

Referencias: