Todavía no sabemos la respuesta a esta pregunta, aunque hay muchas ideas competitivas sobre cómo podría funcionar.
En primer lugar, hay descripciones muy diferentes de las fuerzas en la naturaleza que hemos encontrado hasta ahora en física. Para Newton, la gravedad era una fuerza , descrita por su ecuación de ley de fuerza gravitacional :
[matemáticas] F = -G \ frac {m_1 m_2} {r ^ 2} [/ matemáticas]
- ¿Por qué las fuerzas centrípetas y centrífugas no se cancelan entre sí cuando actúan sobre el mismo objeto?
- ¿Por qué la fuerza centrífuga (una seudo fuerza) no se debe a la inercia del cuerpo dado?
- ¿Qué sucede cuando la mayor fuerza que conocemos se encuentra con el objeto menos móvil que conocemos?
- Si la fuerza sobre un objeto se aplica verticalmente, ¿puede el desplazamiento ser horizontal?
- ¿Cómo se determina la fuerza resultante cuando las dos fuerzas están en direcciones opuestas?
Newton mismo cuestionó si su propio modelo de gravedad podría ser correcto, porque parecía extraño que la fuerza gravitacional no se transmitiera a través de algún tipo de sustancia mediadora. Por ejemplo, si cambiamos de gravedad, entonces esperaríamos que la Tierra se desviara inmediatamente a través del espacio, pero eso significa que la falta de gravedad se comunicaría a la Tierra al instante. La idea de Newton sobre cómo funcionaba la gravedad fue muy exitosa y, por lo tanto, este tipo de preguntas se pasaron por alto.
Entonces llegó Einstein y destruyó por completo la comprensión de la gravedad de Newton. Einstein postuló que lo que consideramos gravedad no es otra cosa que la forma misma del espacio-tiempo, y la forma en que esta forma depende de la presencia de masa y energía. Las ecuaciones que describen cómo funciona esto son las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein :
[matemáticas] R _ {\ mu \ nu} – \ frac {1} {2} R g _ {\ mu \ nu} = \ frac {8 \ pi G} {c ^ 4} T _ {\ mu \ nu}. [ /matemáticas]
Ahora, esto no se parece en nada a la ecuación de Newton y, de hecho, la teoría de Einstein es mucho más extraña, más avanzada e indudablemente más radical que la teoría de Newton. El espacio y el tiempo y su naturaleza fundamental son completamente diferentes y ya no son cantidades físicas absolutas en la perspectiva de Einstein, aunque esa es otra historia. Para nosotros, lo que debemos tener en cuenta es que Einstein describe lo que Newton consideraba la fuerza de la gravedad en términos de la forma del espacio-tiempo. En ese sentido, para Einstein, ¡la gravedad no es realmente una fuerza! La teoría de la gravedad de Einstein es mucho más exitosa que la teoría de Newton, ya que ofrece una imagen mucho más precisa de lo que realmente vemos en la naturaleza y predice muchos fenómenos que se han observado experimentalmente, como la lente gravitacional, las ondas gravitacionales y los agujeros negros.
Ok, ahora tomemos un desvío. La gravedad no es la única fuerza fundamental en el universo que conocemos. También sabemos de otros tres. En primer lugar, está la fuerza electromagnética (que mencionas), y otras dos fuerzas que realmente solo juegan en escalas muy, muy pequeñas. Estas son la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil .
Ahora el electromagnetismo fue descrito extremadamente bien por James Maxwell. En su teoría, el electromagnetismo se describe no con partículas, como en la teoría de Newton, sino con el concepto de campo . Hablando sucintamente, un campo es una cantidad que tiene un valor en todos los puntos del espacio. Para un ejemplo simple, la temperatura en una habitación, que tiene un valor en cada punto (¡20 grados por aquí, 22 grados por allá, digamos!) Puede ser descrita por un campo. En resumen, la teoría del electromagnetismo de Maxwell es una teoría de campo. Las ecuaciones que describen su teoría se pueden escribir perfectamente como
[matemáticas] d F = 0 [/ matemáticas]
[matemáticas] d * F = J [/ matemáticas]
Donde F es la llamada “fuerza de campo” (que contiene los campos magnéticos y eléctricos, así como el potencial electrostático) y J describe cosas que generan carga electromagnética. Es posible que no haya visto las ecuaciones de Maxwell escritas de esta manera, ¡pero las formas que puede haber visto son solo versiones reescritas de estas!
Bien, entonces hemos hablado de la gravedad y el electromagnetismo, pero ¿qué pasa con las otras dos fuerzas? Bueno, estos entran en juego solo cuando hablamos de escalas muy pequeñas, ¡y aquí las leyes de la física se ven extremadamente diferentes nuevamente! ¡Aquí estamos en el ámbito de la mecánica cuántica! ¡Lo más loco de la mecánica cuántica es que, a pesar de lo indescriptiblemente extraño que pueda parecer, en realidad describe con extrema precisión el mundo que observamos a escalas pequeñas!
En pequeñas escalas, lo que observamos se describe extremadamente bien por las teorías cuánticas de las partículas que interactúan . Estas son lo que llamamos teorías de campo cuántico. Por ejemplo, la teoría del electromagnetismo cuántico , o Electrodinámica cuántica , como se la conoce, describe fotones (partículas de luz) que interactúan con electrones y positrones. Es exactamente este tipo de teoría que describe las otras dos fuerzas que observamos. Por ejemplo, la teoría de la cromodinámica cuántica describió la interacción de gluones y quarks, que describe la fuerza nuclear fuerte. El compendio completo de estas teorías es una de nuestras teorías más precisas de todos los tiempos (¡hasta la fecha!), El Modelo Estándar de Física de Partículas o el ” SM” para abreviar.
En el SM, las fuerzas fundamentales surgen de la forma en que las partículas que interactúan intercambian energía. Por ejemplo, se puede entender que la fuerza electromagnética surge del intercambio de energía entre electrones y positrones, por el hecho de que intercambian fotones.
Ok, aquí estamos con dos formas totalmente diferentes de describir las fuerzas que vemos en la naturaleza. Por un lado: la gravedad es descrita por la teoría de Einstein, donde la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo y no es (estrictamente hablando) una fuerza. Por otro lado: el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles se describen mediante teorías de campo cuántico. La gran pregunta es, ¿hay alguna manera de relacionar los dos?
Bueno … ¡hemos estado trabajando en esto durante muchas décadas y hasta ahora no tenemos una respuesta! Básicamente, queremos preguntarnos si podemos poner la gravedad, de acuerdo con Einstein, y la mecánica cuántica, en la misma base. Esto implicaría lo que llamamos una teoría de la gravedad cuántica, ¡ y es esto lo que hemos estado buscando durante mucho tiempo! Hay muchas maneras en que uno podría intentar responder a esta pregunta, ¡pero se ha descubierto que las más naturales son callejones sin salida! Por ejemplo, ¿posiblemente has escuchado sobre el gravitón antes? Bueno, esta es una partícula que interactúa, como las partículas en el SM, ¡pero el gran problema es que la teoría de los gravitones se descompone a altas energías! Puede decirle qué sucede en los experimentos donde las energías no son demasiado altas, pero más allá de cierto umbral no tiene poder predictivo. En resumen, los gravitones son fascinantes, pero en el mejor de los casos solo nos dicen lo que está sucediendo en un pequeño rincón de la gravedad cuántica; ¡comprender el resto puede implicar nuevas ideas radicales que van mucho más allá de esta visión relativamente simple!
Si queremos entender el origen de todas las fuerzas en la naturaleza, sin duda tendremos que responder a esta pregunta, y actualmente no tenemos una respuesta. La teoría de cadenas es una de esas respuestas a este problema, pero estamos lejos de saber si esta es o no la respuesta que estamos buscando.
Para resumir: buena pregunta!
