El físico que apuesta a que la gravedad no se puede cuantificar | Revista Cuanta

La mayoría de los físicos esperan que cuando nos acercamos al tejido de la realidad, la rareza poco intuitiva de la mecánica cuántica persiste hasta las escalas más pequeñas. Pero en esos escenarios, la mecánica cuántica choca con la gravedad clásica de una manera decididamente incompatible.

Entonces, durante casi un siglo, los teóricos han tratado de crear una teoría unificada cuantificando la gravedad o esculpiéndola de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica. Todavía no lo han logrado.

jonathan oppenheim, que dirige un programa que explora alternativas poscuánticas en el University College London, sospecha que eso se debe a que la gravedad simplemente no se puede meter en una caja cuántica. Tal vez, argumenta, nuestra suposición de que debe cuantificarse es incorrecta. “Esa opinión está arraigada”, dijo. “Pero nadie sabe cuál es la verdad”.

Las teorías cuánticas se basan en probabilidades más que en certezas. Por ejemplo, cuando mide una partícula cuántica, no puede predecir exactamente dónde la encontrará, pero puede predecir la probabilidad de que se encuentre en un lugar en particular. Además, cuanto más seguro esté de la ubicación de una partícula, menos seguro estará de su momento. Durante el siglo XX, los físicos gradualmente dieron sentido al electromagnetismo y otras fuerzas utilizando este marco. 

Pero cuando intentaron cuantificar la gravedad, se toparon con infinitos antinaturales que tuvieron que sortear con torpes trucos matemáticos.

 Los problemas surgen porque la gravedad es el resultado del propio espacio-tiempo, en lugar de algo que actúa sobre él. Entonces, si la gravedad está cuantizada, eso significa que el espacio-tiempo también está cuantizado. Pero eso no funciona, porque la teoría cuántica solo tiene sentido en un contexto de espacio-tiempo clásico: no se pueden agregar y luego desarrollar estados cuánticos sobre una base incierta. 

Para lidiar con este profundo conflicto conceptual, la mayoría de los teóricos recurrieron a la teoría de cuerdas, que imagina que la materia y el espacio-tiempo emergen de cuerdas diminutas que vibran. Una facción más pequeña buscó la gravedad cuántica de bucles, que reemplaza el espacio-tiempo suave de la relatividad general de Einstein con una red de bucles entrelazados. En ambas teorías, nuestro mundo clásico familiar emerge de alguna manera de estos bloques de construcción fundamentalmente cuánticos. 

Oppenheim fue originalmente un teórico de cuerdas, y los teóricos de cuerdas creen en la primacía de la mecánica cuántica. Pero pronto se sintió incómodo con las elaboradas acrobacias matemáticas que realizaban sus compañeros para abordar uno de los problemas más notorios de la física moderna: la paradoja de la información del agujero negro. 

En 2017, Oppenheim comenzó a buscar alternativas que evitaran la paradoja de la información tomando como base tanto el mundo cuántico como el clásico. Tropezó con algunos pasados ​​por alto la investigación sobre cuántico-clásico teorías híbridas de la década de 1990, que ha estado extensión y explorando desde entonces. Al estudiar cómo se interrelacionan los mundos clásico y cuántico, Oppenheim espera encontrar una teoría más profunda que no sea ni cuántica ni clásica, sino una especie de híbrido. “A menudo ponemos todos nuestros huevos en unas pocas canastas, cuando hay muchas posibilidades”, dijo. 

Para hacer su punto, Oppenheim recientemente hizo una apuesta Geoff Penington y Carlos Rovelli — líderes en sus respectivos campos de teoría de cuerdas y gravedad cuántica de bucles. ¿Las probabilidades? 5,000 a 1. Si la corazonada de Oppenheim es correcta y el espacio-tiempo no está cuantificado, puede ganar montones de papas fritas, plástico colorido bolas bazinga, o chupitos de aceite de oliva, según su gusto, siempre que cada artículo cueste como máximo 20 peniques (unos 25 centavos).

Nos reunimos en un café del norte de Londres lleno de libros, donde relató con calma sus preocupaciones sobre el statu quo de la gravedad cuántica y elogió la sorprendente belleza de estas alternativas híbridas. “Plantean todo tipo de preguntas notablemente sutiles”, dijo. “Realmente he perdido los pies tratando de entender estos sistemas”. Pero persevera. 

“Quiero mis 5,000 bolas de bazinga”.

La entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.

¿Por qué la mayoría de los teóricos están tan seguros de que el espacio-tiempo está cuantizado?

Se ha convertido en dogma. Todos los demás campos de la naturaleza están cuantificados. Existe la sensación de que la gravedad no tiene nada de especial, es solo un campo como cualquier otro, y por lo tanto debemos cuantizarlo.

¿La gravedad es especial en tu opinión?

Sí. Los físicos definen todas las demás fuerzas en términos de campos que evolucionan en el espacio-tiempo. La gravedad por sí sola nos informa sobre la geometría y la curvatura del propio espacio-tiempo. Ninguna de las otras fuerzas describe la geometría de fondo universal en la que vivimos como lo hace la gravedad.

Por el momento, nuestra mejor teoría de la mecánica cuántica utiliza esta estructura de fondo del espacio-tiempo, que define la gravedad. Y si realmente crees que la gravedad está cuantizada, entonces perdemos esa estructura de fondo.

¿Con qué tipo de problemas te encuentras si la gravedad es clásica y no está cuantificada?

Durante mucho tiempo, la comunidad creyó que era lógicamente imposible que la gravedad fuera clásica porque acoplar un sistema cuántico con un sistema clásico generaría inconsistencias. En la década de 1950, Richard Feynman imaginó una situación que iluminó el problema: comenzó con una partícula masiva que se encuentra en una superposición de dos ubicaciones diferentes. Estos lugares podrían ser dos agujeros en una hoja de metal, como en el famoso experimento de la doble rendija. Aquí, la partícula también se comporta como una onda. Crea un patrón de interferencia de franjas claras y oscuras al otro lado de las rendijas, lo que hace imposible saber por qué rendija pasó. En relatos populares, a veces se describe que la partícula atraviesa ambas rendijas a la vez.

Pero como la partícula tiene masa, crea un campo gravitacional que podemos medir. Y ese campo gravitatorio nos dice su ubicación. Si el campo gravitatorio es clásico, podemos medirlo con una precisión infinita, inferir la ubicación de la partícula y determinar por qué rendija pasó. Entonces tenemos una situación paradójica: el patrón de interferencia nos dice que no podemos determinar por qué rendija pasó la partícula, pero el campo gravitatorio clásico nos permite hacer precisamente eso.

Pero si el campo gravitatorio es cuántico, no hay paradoja: la incertidumbre se cuela cuando se mide el campo gravitacional, por lo que todavía tenemos incertidumbre para determinar la ubicación de la partícula.

Entonces, si la gravedad se comporta de manera clásica, terminas sabiendo demasiado. ¿Y eso significa que las preciadas ideas de la mecánica cuántica, como la superposición, se rompen?

Sí, el campo gravitatorio sabe demasiado. Pero hay una laguna en el argumento de Feynman que podría permitir que la gravedad clásica funcione.

¿Cuál es esa laguna?

Tal como está, solo sabemos qué camino tomó la partícula porque produce un campo gravitacional definido que curva el espacio-tiempo y nos permite determinar la ubicación de la partícula. 

Pero si esa interacción entre la partícula y el espacio-tiempo es aleatoria, o impredecible, entonces la partícula en sí misma no dicta completamente el campo gravitatorio. Lo que significa que medir el campo gravitatorio no siempre determinará por qué rendija pasó la partícula porque el campo gravitatorio podría estar en uno de muchos estados. La aleatoriedad se cuela y ya no tienes una paradoja.

Entonces, ¿por qué no hay más físicos que piensen que la gravedad es clásica?

Bueno, es lógicamente posible tener una teoría en la que no cuantificamos todos los campos. Pero para que una teoría clásica de la gravedad sea consistente con todo lo demás cuantificado, entonces la gravedad tiene que ser fundamentalmente aleatoria. Para muchos físicos eso es inaceptable.

¿Por qué?

Los físicos pasan mucho tiempo tratando de averiguar cómo funciona la naturaleza. Entonces, la idea de que existe, en un nivel muy profundo, algo inherentemente impredecible es preocupante para muchos.

El resultado de las mediciones dentro de la teoría cuántica parece ser probabilístico. Pero muchos físicos prefieren pensar que lo que aparece como aleatoriedad es solo el sistema cuántico y el aparato de medición interactuando con el entorno. No lo ven como una característica fundamental de la realidad.

¿Qué estás proponiendo en su lugar?

Mi mejor conjetura es que la próxima teoría de la gravedad será algo que no sea ni completamente clásico ni completamente cuántico, sino algo completamente distinto.

Los físicos solo están ideando modelos que se aproximan a la naturaleza. Pero como un intento de una aproximación más cercana, mis alumnos y yo construimos una teoría completamente consistente en la que interactúan los sistemas cuánticos y el espacio-tiempo clásico. Simplemente tuvimos que modificar ligeramente la teoría cuántica y modificar ligeramente la relatividad general clásica para permitir el desglose de la previsibilidad que se requiere.

¿Por qué empezaste a trabajar en estas teorías híbridas?

Estaba motivado por la paradoja de la información del agujero negro. Cuando arrojas una partícula cuántica a un agujero negro y luego dejas que ese agujero negro se evapore, te encuentras con una paradoja si crees que los agujeros negros conservan información. La teoría cuántica estándar exige que cualquier objeto que arrojes al agujero negro se irradie de alguna manera codificada pero reconocible. Pero eso viola la relatividad general, que nos dice que nunca se puede saber acerca de los objetos que cruzan el horizonte de eventos del agujero negro.

Pero si el proceso de evaporación del agujero negro es indeterminista, entonces no hay paradoja. Nunca sabemos lo que se arrojó al agujero negro porque la previsibilidad se rompe. La relatividad general es segura.

Entonces, ¿el ruido en estas teorías híbridas clásicas cuánticas permite que se pierda información?

Exactamente. 

Pero la conservación de la información es un principio clave en la mecánica cuántica. Perder esto no puede sentar fácilmente a muchos teóricos.

Eso es cierto. Hubo grandes debates sobre esto en las últimas décadas, y casi todo el mundo llegó a creer que la evaporación de los agujeros negros es determinista. Siempre estoy desconcertado por eso.

¿Se resolverán alguna vez los experimentos si la gravedad está cuantificada o no?

En algún momento. Todavía no sabemos casi nada sobre la gravedad en las escalas más pequeñas. Ni siquiera se ha probado en la escala milimétrica, y mucho menos en la escala de un protón. Pero hay algunos experimentos emocionantes en línea que harán eso.

Uno de ellos es una versión moderna del “experimento Cavendish”, que calcula la fuerza de la atracción gravitacional entre dos esferas de plomo. Si hay aleatoriedad en el campo gravitatorio, como en estos híbridos cuánticos-clásicos, entonces, cuando intentemos medir su fuerza, no siempre obtendremos la misma respuesta. El campo gravitatorio se sacudirá. Cualquier teoría en la que la gravedad sea fundamentalmente clásica tiene un cierto nivel de ruido gravitatorio.

¿Cómo sabes que esta aleatoriedad es intrínseca al campo gravitatorio y no algún ruido del entorno?

tu no La gravedad es una fuerza tan débil que incluso los mejores experimentos ya tienen mucha sacudida. Por lo tanto, debe eliminar todas estas otras fuentes de ruido tanto como sea posible. Lo emocionante es que mis alumnos y yo demostramos que si estas teorías híbridas son ciertas, debe haber una cantidad mínima de ruido gravitacional. Esto se puede medir estudiando átomos de oro en un experimento de doble rendija. Estos experimentos ya establecen límites sobre si la gravedad es fundamentalmente clásica. Nos estamos acercando gradualmente a la cantidad de indeterminación permitida.

Por otro lado de la apuesta, ¿hay algún experimento que demuestre que la gravedad está cuantizada?

Existen experimentos propuestos que buscan enredos mediados por el campo gravitatorio. Como el entrelazamiento es un fenómeno cuántico, sería una prueba directa de la naturaleza cuántica de la gravedad. Estos experimentos son muy emocionantes, pero probablemente dentro de décadas.