¡Esta es realmente una pregunta muy interesante! Para responderlo, necesitaremos ver cómo funciona la gravedad “clásica” (no cuántica), cómo funcionan las fuerzas no gravitacionales y cómo podría funcionar la gravedad cuántica.
Primero, veremos cómo funcionan las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas en la teoría cuántica de campos. Sin entrar en demasiados detalles, en la teoría del campo cuántico, las partículas llamadas bosones (llamadas así porque obedecen las estadísticas de Bose-Einstein) median las fuerzas.
Cuando dos electrones se repelen entre ellos electrostáticamente, intercambian fotones virtuales, que transportan energía e impulso. Las interacciones débiles y fuertes funcionan de la misma manera (en el sentido de que los bosones transportan energía e impulso, mediando interacciones; hay, por supuesto, diferencias).
- ¿Es cierto que la fuerza gravitacional y la energía almacenada en masa se cancelan entre sí, y eso significa que el universo tiene una suma de energía de 0 y efectivamente no existe para un observador externo?
- ¿Por qué los objetos tienen una fuerza gravitacional?
- ¿Qué fenómeno causa la fuerza gravitacional?
- Si la fuerza gravitacional disminuye al aumentar la distancia, ¿cómo aumenta la energía potencial gravitacional de un objeto?
- ¿Existe un vínculo directo entre la fuerza gravitacional y la dilatación del tiempo gravitacional?
Ahora veamos la relatividad general. En la Relatividad general, la gravedad no está mediada por bosones que vuelan, interactúan con las cosas. Más bien, en GR, la gravedad es el nombre que le damos al hecho de que, cuando el espacio-tiempo es curvo, las “líneas rectas” (geodésicas) ya no son rectas y los objetos se mueven a lo largo de ellas. En otras palabras, en GR, la gravedad es solo una curvatura espacio-temporal. Como John Archibald Wheeler dijo una vez, “la masa le dice al espacio-tiempo cómo curvarse, el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse”. Entonces, según la Relatividad General, la curvatura del espacio-tiempo causa gravedad.
Sin embargo, esto presenta un problema: las otras tres “fuerzas fundamentales” en el universo son campos cuánticos con partículas portadoras de fuerza y demás. La gravedad, sin embargo, es un campo clásico, al menos según la relatividad general. Esto se siente extraño para los físicos; No hay realmente una muy buena razón para que la gravedad no sea una teoría cuántica de campo, y tendría sentido que fuera una teoría cuántica al igual que las otras fuerzas.
En este punto, uno podría preguntarse por qué no podemos simplemente tomar la teoría de campo clásica que es GR y cuantificarla, tal como lo hacemos con la electrodinámica cuántica. ¡Y en realidad podemos hacer eso! Si dejamos que el tensor métrico [math] g _ {\ mu \ nu} = \ eta _ {\ mu \ nu} + h _ {\ mu \ nu} [/ math], donde [math] \ eta _ {\ mu \ nu} [/ math] es la métrica del espacio-tiempo plano y [math] h _ {\ mu \ nu} [/ math] es una pequeña perturbación, podemos cuantificar [math] h _ {\ mu \ nu} [/ math] y hacer un teoría cuántica del campo fuera de eso. ¡Excelente! ¡La gravedad puede parecerse a las otras fuerzas ahora!
Entonces, ¿cuál es el gran problema? Después de todo, acabo de decir que no tenemos una teoría de la gravedad cuántica. Bueno, resulta que esto funciona muy bien para energías realmente bajas . Cuando los niveles de energía son demasiado altos, esta teoría de la gravedad cuántica “ingenua” da respuestas infinitas. Y, desafortunadamente, la mayoría de las preguntas que quisiéramos responder con gravedad cuántica (por ejemplo, ¿qué sucede cerca de una singularidad?) Son preguntas que solo se pueden responder a energías muy altas.
Actualmente hay varias teorías potenciales de la gravedad cuántica que intentan responder a estas preguntas.
Probablemente el más famoso es la teoría de cuerdas. No voy a profundizar demasiado al respecto porque no lo entiendo muy bien (en física, “entender” algo es completamente diferente al lenguaje cotidiano). Pero es cualitativamente bastante similar a la teoría cuántica de campos. Sin embargo, todavía no ha hecho ninguna predicción comprobable.
Una de las que conozco un poco más es la gravedad cuántica de bucles. Está mucho mejor desarrollado que la teoría de cuerdas, y en realidad es bastante similar en estructura a la relatividad general. La principal diferencia entre GR y LQG es que, en LQG, el espacio está cuantificado. Luego, LQG utiliza el hecho de que usted conoce la holonomía (esencialmente la curvatura) de un bucle en cada punto del espacio-tiempo, lo que equivale a conocer la métrica. Entonces, en LQG, la gravedad funciona de manera muy similar a GR.
Pero, en este punto, debo enfatizar que no sabemos exactamente cómo funciona la gravedad. La gravedad podría no ser una teoría cuántica en absoluto. Podría ser la teoría de cuerdas. Podría ser LQG. Aún no lo sabemos. Pero lo haremos algún día!
