¿La gravedad de Einstein y la mecánica cuántica finalmente se unieron?

Einstein

Esta semana, físicos del University College de Londres anunciaron, en dos artículos publicados simultáneamente, una nueva teoría radical que unifica el continuo de la gravedad y la mecánica cuántica de Einstein, al tiempo que rechaza el concepto clásico de espacio-tiempo de Einstein. Imagen vía Isaac Young/UCL. Usado con permiso.

University College London publicó este artículo el 4 de diciembre de 2023. Reimpreso aquí con autorización. Modificaciones por EarthSky.

La gravedad y la mecánica cuántica de Einstein

La física moderna se basa en dos pilares. Una es la teoría cuántica, que se ocupa de las partículas más pequeñas del universo. Otra es la teoría de la relatividad general de Einstein, que explica la gravedad mediante la deformación del espacio-tiempo. Pero estos dos puntos de vista se contradicen y una combinación ha persistido durante más de un siglo.

La hipótesis actual es que la teoría de la gravedad de Einstein debe modificarse o «cuantizarse» para que encaje en la teoría cuántica. Esta es la teoría cuántica de la gravedad, la teoría de cuerdas y los dos principales candidatos para la gravedad cuántica de bucles.

Pero Jonathan Oppenheim del University College London Physics and Astronomy ha desarrollado una nueva teoría. En un nuevo artículo publicado en una revista de acceso abierto revisada por pares Exploración física X (PRX), desafía este consenso y adopta un enfoque alternativo al sugerir que el espacio-tiempo puede ser clásico. Es decir, no se rige en absoluto por la teoría cuántica.

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Así funciona la teoría de la gravedad y la mecánica cuántica de Einstein

En lugar de cambiar el espacio-tiempo, la teoría, denominada «teoría poscuántica de la gravedad clásica», reemplaza la teoría cuántica. Esto presupone un desorden intrínseco en la predicción de lo que está en el centro del propio espacio-tiempo. Esto da como resultado fluctuaciones aleatorias y violentas en el espacio-tiempo que son mayores de lo imaginado según la teoría cuántica, lo que hace que el peso aparente de los objetos sea impredecible si se mide lo suficiente.

Otro artículo, publicado simultáneamente en una revista de acceso abierto y revisada por pares. comunicación de la naturaleza Y dirigido por el ex Ph.D. de Oppenheim. Los estudiantes observan algunos de los resultados de la teoría. También ofrece un experimento para probarlo: medir una masa con mucha precisión para ver si su peso cambia con el tiempo.

Por ejemplo, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Francia pesa habitualmente 1 kilogramo, que solía ser el estándar de 1 kilogramo. Si las fluctuaciones en las medidas de esta masa de 1 kg son menores que la consistencia matemática requerida, pueden rechazar la teoría.

Jonathan Opinum del University College de Londres. Imagen vía UCL. Es autor de un nuevo artículo teórico sobre la gravedad y la mecánica cuántica de Einstein.

Una apuesta de 5.000:1

El resultado del experimento, u otra evidencia emergente que confirme la naturaleza cuántica versus clásica del espacio-tiempo, es el tema de una apuesta de 5.000:1 entre el profesor Oppenheim y los físicos teóricos Carlo Rovli y Geoff Pennington. Rowley y Pennington son los líderes de la gravedad de bucles cuánticos y la teoría de cuerdas, respectivamente.

Durante los últimos cinco años, un grupo de investigación de la UCL ha estado probando la teoría y explorando sus implicaciones.

El profesor Oppenheim dijo:

La teoría cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein son matemáticamente incompatibles. Por eso es importante entender cómo resolver esta contradicción. ¿Deberíamos cuantificar el espacio-tiempo, deberíamos modificar la teoría cuántica o es algo completamente distinto? Ahora que tenemos una teoría fundamental consistente en la que el espacio-tiempo no está cuantificado, nadie lo sabe.

Propuesta experimental

El coautor Zach Weller-Davies, quien, como Ph.D. Estudiante de la UCL, ayudó a desarrollar la propuesta empírica y jugó un papel importante en la teoría misma, diciendo:

El descubrimiento desafía nuestra comprensión de la naturaleza fundamental de la gravedad, pero también ofrece vías para investigar su potencial naturaleza cuántica.

Hemos demostrado que si el espacio-tiempo no tiene naturaleza cuántica, entonces debe haber fluctuaciones aleatorias en la curvatura del espacio-tiempo que tengan una característica que pueda verificarse experimentalmente.

Tanto en la gravedad cuántica como en la gravedad clásica, el espacio-tiempo debe estar sufriendo fluctuaciones violentas y caóticas a nuestro alrededor, pero en una escala que aún no podemos detectar. Pero si el espacio-tiempo es clásico, las fluctuaciones deben ser mayores que una determinada escala, y esta escala se puede determinar mediante otro experimento en el que probamos cuánto tiempo tarda un átomo pesado en dos lugares diferentes, pudiendo colocarse en superposición.

Los cálculos analíticos y numéricos de los coautores Carlo Sparaciari y Barbara Soda ayudaron a guiar este proyecto. Esperaban que estos experimentos determinaran si la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad era el camino correcto a seguir.

Más términos sobre la propuesta

Šoda (antes UCL Física y Astronomía, ahora Perimeter Institute of Theoretical Physics, Canadá) dijo:

Dado que la gravedad se expresa a través de la deformación del espacio y el tiempo, podemos pensar en la cuestión de si el flujo del tiempo tiene una naturaleza cuántica o una naturaleza clásica.

y comprobar esto es casi tan sencillo como comprobar si el peso de una masa es constante o parece variar de cierta manera.

Sparaciari (Física y Astronomía de la UCL) dijo:

Si bien el concepto experimental es simple, el peso del objeto debe calcularse con gran precisión.

Pero lo que me parece interesante es que, partiendo de supuestos muy generales, podemos demostrar una relación clara entre dos cantidades mensurables, la medición del flujo del espacio-tiempo y cuánto tiempo pueden colocarse átomos o moléculas como objetos en una superposición cuántica de dos ubicaciones diferentes. Entonces podemos determinar estas dos cantidades empíricamente.

Wheeler-Davis agregó:

Si las partículas cuánticas, como los átomos, son capaces de doblar el espacio-tiempo clásico, debe existir una perturbación crítica. Debe haber un equilibrio fundamental entre la naturaleza ondulatoria de los átomos y la magnitud de las fluctuaciones aleatorias en el espacio-tiempo.

Antecedentes de Einstein sobre gravitación y mecánica cuántica

Mecánica cuántica. Toda la materia en el universo obedece las leyes de la teoría cuántica, pero en realidad sólo observamos el comportamiento cuántico a escala de átomos y moléculas. La teoría cuántica nos dice que las partículas obedecen al principio de incertidumbre de Heisenberg y nunca sabemos su posición o velocidad al mismo tiempo. De hecho, ni siquiera tienen una posición o velocidad específica hasta que los medimos. Las partículas como los electrones pueden actuar más como ondas y actuar casi como si estuvieran en muchos lugares a la vez (más precisamente, los físicos describen las partículas como si estuvieran en «superposición» de diferentes lugares).

La teoría cuántica lo gobierna todo, desde los semiconductores que están omnipresentes en los chips de computadora hasta los láseres, la superconductividad y la desintegración radiactiva. Por el contrario, decimos que un sistema se comporta clásicamente si tiene propiedades básicas. Un gato parece actuar de manera clásica: o está vivo o muerto, no ambas cosas, y ni muerto ni vivo en una posición superior. ¿Por qué las partículas clásicas y pequeñas se comportan cuánticamente? No lo sabemos, pero la teoría poscuántica no necesita el postulado de la medición, porque la clasicidad del espacio-tiempo afecta a los sistemas cuánticos y hace que se localicen.

Sobre la gravedad

La gravedad de Einstein. La teoría de la gravedad de Newton dio paso a la teoría de la relatividad general (GR) de Einstein, que sostiene que la gravedad no es una fuerza en el sentido ordinario. En cambio, objetos masivos como el Sol doblan la estructura del espacio-tiempo de una manera que hace que la Tierra gire sobre sí misma. El espacio-tiempo es simplemente un objeto matemático que consta de tres dimensiones del espacio, y el tiempo se considera la cuarta dimensión. La relatividad general predijo la formación de agujeros negros y el Big Bang. Sostiene que el tiempo fluye a diferentes velocidades en diferentes puntos del espacio, y el GPS de su teléfono inteligente debe tener en cuenta esto para determinar con precisión su ubicación.

Ejemplo anterior

Hay una versión funcional de la Figura 1 en el documento PRX al principio de este artículo. Representa un experimento en el que partículas pesadas (definidas como la Luna) causan patrones de interferencia (un efecto cuántico), al tiempo que deforman el espacio-tiempo. Los péndulos colgantes reflejan las dimensiones del espacio-tiempo. Los experimentos originales suelen utilizar carbono-60, una de las moléculas más grandes conocidas. Los cálculos del UCL indican que el experimento también debería utilizar átomos de alta densidad como el oro. Imagen vía Isaac Young/University College London. Usado con permiso.

Artículo de revisión física X
Documento de comunicaciones sobre la naturaleza
Una conferencia pública del profesor Jonathan Oppenheim en enero de 2024
Perfil académico del profesor Oppenheim
Física y Astronomía de la UCL
Ciencias Físicas y Matemáticas de la UCL

En pocas palabras: la gravitación y la mecánica cuántica de Einstein son los dos fundamentos de la física moderna. Pero estas dos teorías están en contradicción. ¿Hemos llegado a un acuerdo?

a través de la UCL

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