¿Por qué es tan difícil vincular el electromagnetismo y la gravedad?

La teoría del electromagnetismo es parte de lo que se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas (ver http://en.wikipedia.org/wiki/Sta…). La teoría del Modelo Estándar unifica el electromagnetismo junto con las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Esta es una teoría muy bien probada y ha pasado casi todas las pruebas experimentales.

La mejor teoría de la gravedad que tenemos es la Relatividad General de Einstein, que también está bien probada y verificada. La dificultad surge cuando tratamos de unificar la teoría del Modelo Estándar con la teoría de la Relatividad General (ver http://en.wikipedia.org/wiki/Gen…). Existen muchas dificultades técnicas teóricas y matemáticas que surgen cuando se utilizan los enfoques estándar para intentar la unificación de estas dos teorías. El enfoque mejor estudiado que parece permitir esta unificación de estas dos teorías es la teoría de cadenas (ver http://en.wikipedia.org/wiki/Str…).

En el modelo estándar, las partículas como los electrones y los quarks son partículas puntuales. En la teoría de cuerdas, estos puntos se reemplazan por cadenas unidimensionales que pueden vibrar de diferentes maneras. Estas diferencias en los modos de vibración es lo que resulta en las diferencias en los tipos de partículas. Además, para tener una teoría matemáticamente consistente, estas cuerdas necesitan vibrar en 6 o 7 dimensiones espaciales adicionales además de las 3 dimensiones del espacio y 1 dimensión del tiempo que asumieron las otras teorías. Todo esto da como resultado una teoría matemática muy difícil, pero comprender realmente por qué es tan difícil requeriría más matemáticas de las que serían apropiadas en Quora.

En realidad no es realmente …

Un matemático llamado Theodor Kaluza mostró cómo vincular EM y la gravedad en la década de 1920

Teoría de Kaluza-Klein

Resulta que si se extiende GR a cinco dimensiones, EM se cae muy bien. El problema con esto es

1) no obtienes mecánica cuántica
2) no obtienes fuerzas nucleares fuertes / débiles
3) no obtienes ninguna partícula que no sea gravedad o EM

Está poniendo todas estas otras cosas en eso es desordenado. La dificultad básica es esta. Es muy fácil llegar a una hermosa teoría simétrica del universo.

Sin embargo, el universo tiene todo tipo de asimetrías desordenadas, y es difícil llevarlas a una teoría elegante. Como ejemplo práctico, es fácil llegar a una teoría clásica unificada de GR y EM porque tanto la gravedad como EM parecen estar mediadas por partículas sin masa. Ahora pon un electrón y se vuelve desordenado.

Como complemento de las otras buenas respuestas, en realidad hay algo que la gente intentó hace muchas décadas conocido como teoría de Kaluza-Klein, que se suponía que debía hacer exactamente lo que su pregunta es: unificar la gravedad con el electromagnetismo. La motivación básica es que, dado que Einstein dice que la gravedad puede describirse en términos de geometría (espacio-temporal), ¿podemos describir cualquiera de las otras fuerzas, como el electromagnetismo, en términos similares, al mismo tiempo?

La estrategia implica, de manera un tanto extraña, imaginar que hay una quinta dimensión adicional, además de las cuatro que ya aparecen en la teoría de la relatividad general de Einstein (actualmente nuestra mejor teoría de la gravedad)

Si eso no sonara lo suficientemente extraño, deberíamos imaginar que esta quinta dimensión no es como las otras cuatro; no va para siempre en ninguna dirección, pero en realidad se envuelve alrededor de sí misma, ¡más bien como un círculo!

Ahora, si considera aplicar la teoría de Einstien en este espacio, resulta que parece muy interesante desde el punto de vista de alguien en el universo “ordinario”, de cuatro dimensiones. Lo que sucede es que parece que obtienes (desde la perspectiva de cuatro dimensiones), gravedad + electromagnetismo + (alguna otra basura).

Bien, considerando este procedimiento extraño, ¡parece que puedes obtener la teoría de Einstein, más el electromagnetismo, desde una perspectiva unificada!

Eso está muy bien, excepto que esta configuración se comporta mal una vez que activamos la mecánica cuántica. Formalmente, decimos que las vacunas de Kaluza-Klein son inestables, lo que significa que esta teoría aparentemente no puede describir lo que realmente sucede en la naturaleza.

Sobre eso (alguna otra basura) … Bueno, esto es algo funky que llamamos el “campo de dilaton” y básicamente corresponde a cuán grande es la quinta dimensión (envuelta). Interactúa de manera extraña con todo lo demás, por lo que es un poco difícil tratar de explicarlo usando este método; algo más que es preocupante al respecto.