Existe una teoría cuántica para la interacción fuerte y la interacción débil, así como para la fuerza electromagnética. Pero, ¿por qué no existe para la cuarta fuerza fundamental, la gravedad?

Existe una teoría cuántica de la gravedad, y su nombre es teoría de cuerdas. Pero hay dos diferencias principales entre esta teoría cuántica y las teorías cuánticas que describen las otras 3 fuerzas.

La primera es que no se trata de una teoría de campo cuántico tradicional, donde simplemente se toma una teoría de campo clásica y se cuantifica a través del procedimiento estándar. (más sobre esto a continuación)

Y la segunda es que, debido a que la gravedad es tan débil, es muy difícil probar cualquiera de sus propiedades cuánticas, y por lo tanto, la teoría de cuerdas no se ha probado experimentalmente de la misma manera que las teorías de las otras fuerzas. Podría resultar que no es la única teoría de la gravedad cuántica, y la que describe la gravedad cuántica correctamente en nuestro mundo es otra cosa. Pero al menos se sabe que es una teoría consistente de la gravedad cuántica, ya sea que describa nuestro universo u otro.

Volviendo a la primera diferencia … podría haber preguntado: ¿por qué la teoría cuántica de la gravedad es tan diferente de la teoría cuántica de las otras fuerzas? Y en particular, ¿por qué no es una teoría cuántica de campo tradicional? La respuesta es que es diferente porque la gravedad es un tipo diferente de fuerza. Todas las fuerzas fundamentales de la física son realmente simetrías (en particular, simetrías de calibre). Pero las otras fuerzas son lo que se conoce como “simetrías internas”, mientras que la gravedad es una “simetría espacio-temporal”. Esto hace que la gravedad sea muy especial: ¡no es solo un campo que vive en el espacio-tiempo, es la curvatura del espacio-tiempo mismo!

Una consecuencia de ser una simetría espacio-temporal es que la gravedad se ve obligada a tener un giro de 2 (porque el tensor métrico para el espacio es un tensor de rango 2). Como alguien más señaló, la razón matemática inmediata por la que no puede simplemente tomar una teoría clásica del campo spin-2 y cuantificarla directamente es porque no es renormalizable. Puede hacerlo y obtener una teoría efectiva de baja energía, pero se garantiza que esa teoría se descompondrá y se volverá inconsistente a energías más altas, a menos que acepte una cantidad infinita de ajustes finos. Lo que hace que tal teoría sea inútil.

Hubo un problema extremadamente grande con respecto al Bosón de Higgs si puedes recordar. Esto se debió a que, se suponía que si se descubrían sus misterios, se podría explicar la gravedad. La verdad es que entendemos muy poco con respecto a estas fuerzas. Sin embargo, la gravedad es una de las menos entendidas. Uno de los principales problemas radica en las interacciones de partículas. Estos se visualizan utilizando el concepto de partículas de intercambio. fotones virtuales para fuerzas electromagnéticas, fuerzas nucleares fuertes por gluones, fuerzas nucleares débiles por W +, bosones W- y gravitación por gravitones. Sin embargo, los gravitones son principalmente un concepto teórico aún por descubrir o incluso detectar. Por lo tanto, su mecanismo de transmisión de fuerza es una de las fuerzas menos entendidas, y no podemos crear arbitrariamente una teoría cuántica para algo que todavía estamos comenzando a entender. 🙂

Desearía saber exactamente por qué. Pero una incompatibilidad principal es que la gravedad no es renormalizable.
Primero, ¿qué es renormalizable? En términos generales, significa que puedo cancelar ‘infinitos’ entre sí para obtener una respuesta real. Por ejemplo, en QED, desea calcular la respuesta a un problema particular, y comienza con aproximaciones sucesivas, que pueden dar un valor infinito, pero en su conjunto, la suma tendrá sentido después de algunos trucos matemáticos.
Pero eso no funciona con la gravedad cuántica. De alguna manera terminas con muchos infinitos que son muy difíciles de eliminar. Algunos físicos excelentes todavía están trabajando en ello.

Buena pregunta. ¿Has estado trabajando con un físico? Esa persona probablemente esté tratando de escribir una ecuación para la gravedad. Ve y pregúntale esto a él / ella. Espera, los físicos no pueden responder una pregunta de “por qué”. Él / ella solo te dirá que estas dos teorías (la relatividad cuántica versus la relatividad general) alguna vez estuvieron casadas, ahora son parejas divorciadas, o algo así. La razón de la incapacidad de fusionarlos es que están divorciados. Eso es. No se quieren.

Suhan Rox continuó diciendo:

Sin embargo, los gravitones son principalmente un concepto teórico aún por descubrir o incluso detectar. Por lo tanto, su mecanismo de transmisión de fuerza es una de las fuerzas menos entendidas, y no podemos crear arbitrariamente una teoría cuántica para algo que todavía estamos comenzando a entender. 🙂

Y es por eso que no entiendo que las puertas estén tan cerradas a un pensamiento radicalmente diferente.

Dos doctorados del Reino Unido han mirado a los ojos de su audiencia de televisión en los últimos años y han dicho palabras al respecto: Algo falta, lo que implica cualquier cosa, desde un error en una ecuación, hasta una omisión evidente en la forma en que estamos modelando todo el asunto.

Eso se conoce como la búsqueda de “La teoría de todo”.