Gravedad cuántica: la teoría inaccesible

Existe un problema fundamental en la física teórica aún sin resolver y es el de reconciliar la teoría cuántica de campos con la relatividad general, es decir, el de describir la gravedad de forma cuántica. Este afán no surge del capricho de los investigadores en física teórica, si no de la esperanza de que la naturaleza muestre cierta consistencia. Las otras interacciones fundamentales, la electromagnética y las interacciones nucleares débil y fuerte, tienen todas una descripción cuántica satisfactoria, conocidas todas ellas desde hace décadas. Esperaríamos por tanto que la gravedad, que sería la cuarta de estas interacciones fundamentales, siguiera el mismo camino y pudiera ser descrita por un formalismo cuántico. La teoría de la Relatividad General, que es la que utilizamos a día de hoy para describir la gravedad, ha sido increíblemente exitosa, pero pensamos que no debería ser la última palabra en lo que a esta interacción se refiere. Con ella hemos conseguido entender cómo la luz se desvía en presencia de un campo gravitatorio, cómo funciona el universo a gran escala o qué ocurre en los alrededores de un agujero negro, pero hay aspectos que se le escapan.

Los intentos que buscan cómo lograr esta cuantización de la gravedad se engloban dentro de lo que se llama gravedad cuántica, que toma muchas formas, según el formalismo concreto que estemos usando para intentar describirla. Esta gravedad cuántica pretende describir el comportamiento de la gravedad con las herramientas de las teorías cuánticas. A día de hoy no existe una teoría que consiga esto de forma satisfactoria y aceptada por la comunidad científica. Existen dos contendientes principales en la lucha por cuantificar la gravedad: la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, pero hay muchas otras opciones que también se están explorando. Estas incluyen propuestas con nombres tan dispares como Teoría de Twistores, Geometría No-comutativa, Gravedad Cuántica Simplicial, Gravedad Cuántica Euclídea, o la Formulación de Superficie Nulla de la Relatividad General, entre otras.

Para quienes dedican su labor investigadora a la física de partículas, o física de altas energías como también se la conoce, la gravedad no es más que la última, y más débil, de las interacciones fundamentales. Para estos investigadores resulta natural intentar describirla con el formalismo cuántico siguiendo una estrategia similar a las que han resultado exitosas con las otras interacciones o estrategias similares. Desde su punto de vista el problema de cuantizar la gravedad implica buscar una teoría cuántica de campos convencional que pueda incorporar la gravedad. Este camino ha llevado por ejemplo al desarrollo de la teoría de cuerdas. En esta teoría, la gravedad no es más que una de las excitaciones posibles de una de sus “cuerdas” y el problema de la gravedad cuántica puede reducirse a entender cómo esta excitación da lugar a los fenómenos que conocemos.

Por otro lado, para quienes estudian la relatividad general y sus consecuencias, el hecho de describir la gravedad en términos de excitaciones de un campo sobre un fondo sobre el que ocurre todas las cosas, como funcionaría la teoría cuántica de campos a día de hoy, resulta físicamente incorrecto. Para ellos el universo es más complicado que esa imagen simplificada y no existe un “fondo fijo” sobre el que las leyes de la física sucedan. Para quienes utilizan la relatividad general para entender el cosmos, ésta implica el descubrimiento de que algunas nociones clásicas sobre el tiempo y el espacio eran incorrectas al nivel más fundamental y que requieren modificaciones en nuestra forma de pensar y de abordar la física tan profundas como las de la propia teoría cuántica.

Por tanto el problema de la gravedad cuántica, para los relativistas, consiste en profundizar más en la revolución conceptual que supuso la teoría de Einstein y en buscar una nueva síntesis que redefina por completo nuestra concepción más básica del tiempo y el espacio, incluyendo lo aprendido con la relatividad general y también con la mecánica cuántica. La teoría cuántica de bucles por ejemplo no parte de ningún espacio-tiempo que actúe como “fondo fijo” del resto de leyes de la naturaleza.

El estado actual de las teorías que pretenden describir la gravedad cuántica es incierto. A pesar de la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles sean las dos teorías más prometedoras, podría suceder que ambas resultaran incorrectas o insuficientes para describir la realidad. La teoría de cuerdas consigue unificar la física más fundamental en un solo formalismo, pero falla a las escalas más absolutamente pequeñas. La teoría cuántica de bucles consigue proponer una formulación rigurosa e independiente de cualquier fondo y permite describir el universo a las escalas más pequeñas, pero es una teoría incompleta en los aspectos más dinámicos.

Estas teorías no tienen por qué ser autoexcluyentes y podrían tal vez complementarse mutuamente, pues existen ciertas similitudes entre ambas, como el hecho de que las excitaciones a las escalas más pequeñas son objetos unidimensionales: cuerdas en una teoría y bucles en la otra.

Referencias: