¿Qué novedades hay en la gravedad cuántica de lazos?

Para la gravedad aún no hemos conseguido una teoría cuántica completamente satisfactoria

Imagen del agujero negro situado en el centro de la galaxia Messier 87, el primero fotgrafiado.
Imagen del agujero negro situado en el centro de la galaxia Messier 87, el primero fotgrafiado.EHT

La gravedad cuántica de lazos es un intento de conciliar la teoría de la gravedad con la teoría cuántica. A día de hoy, mientras que para el resto de las interacciones de la naturaleza sí tenemos descripciones cuánticas, para la gravedad no hemos conseguido una teoría cuántica completamente satisfactoria. Sí hay diversas propuestas y una de ellas es esta gravedad cuántica de lazos. El nombre de lazos se refiere a unas estructuras matemáticas que se emplean en la teoría, basadas en integrales de caminos cerrados o lazos, es un tecnicismo.

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Podemos preguntarnos por qué necesitamos tal teoría. La respuesta es que desde el punto de vista físico, es decir, de nuestro entendimiento de la naturaleza, tenemos regímenes que no sabemos describir. La relatividad general es la teoría que mejor describe hasta la fecha el fenómeno gravitatorio, pero hay asuntos en los que falla. En particular, los instantes iniciales del universo. Si aplicamos la relatividad general a la física del universo primitivo nos chocamos con lo que llamamos una singularidad inicial, a veces llamada singularidad del Big Bang. Ahí la teoría de la relatividad general falla. Tampoco tenemos una teoría que nos describa la física del interior de los agujeros negros.

Una teoría de gravedad cuántica busca un marco teórico consistente y bien definido para la física en esas regiones. En esos regímenes la densidad de energía es muy alta, igual que las curvaturas, por lo que es lógico pensar que ahí el campo gravitatorio, o lo que llamaríamos la geometría del espacio-tiempo, deja de tener un carácter clásico para tener una naturaleza cuántica.

La gravedad cuántica de lazos es una de las propuestas. No es lo que algunos llamarían una teoría del todo, pues de momento no pretende unificar el fenómeno gravitatorio con el resto de interacciones. Es un poco más humilde que, por ejemplo, la teoría de cuerdas que sí busca esa unificación. Lo que pretende en primera instancia la teoría de la gravedad cuántica de lazos es cuantizar la gravedad, aunque con vistas a que el formalismo luego permita incorporar el resto de interacciones.

No es lo que algunos llamarían una teoría del todo, pues de momento no pretende unificar el fenómeno gravitatorio con el resto de interacciones

Surgió a finales de los años 80 y a día de hoy sigue incompleta, estrictamente hablando. Pero en estos años sí se ha avanzado bastante en su desarrollo, desde diferentes vertientes. Una de las limitaciones es el número de personas que trabajamos en ella que somos solo unos cientos, unas cuatrocientas o quinientas personas.

Yo trabajo principalmente en lo que llamamos cosmología cuántica de lazos. Esto es aplicar las técnicas y las ideas de esta teoría en un contexto no general sino más específico, aplicado a cosmología, al universo. Uno de los resultados más importantes que se logró, hace ya unos quince años, es que en el régimen donde se dan las singularidades clásicas, es decir, con densidades muy altas de energía, el modelo cuántico que obtenemos nos dice que a esas escalas la gravedad se hace como repulsiva y el universo deja de presentar esa singularidad. Y podemos calcular huellas cuánticas en observables cosmológicos. Desde hace ya unos treinta años se está midiendo con mucha precisión el fondo cósmico de microondas, que son los fotones primigenios que nos llegan de las etapas más tempranas del universo. Es como una fotografía del universo cuando era muy, muy, muy joven, cuando los fotones se desacoplaron de la materia y se emitieron libremente. La idea es que estos fotones nos podrían proporcionar una ventana para medir efectos de gravedad cuántica porque puede que en su distribución encontremos información sobre la naturaleza cuántica del universo antes de que estos fotones se emitieran. Si la dinámica del universo era distinta a la que predice la relatividad general cuando se formaron esas correlaciones, podríamos medirlas. Nosotros estamos trabajando en eso.

La dificultad que tenemos en gravedad cuántica es que no podemos hacer experimentos. Las escalas de energía en las que trabajamos son muchísimo más altas que las que podemos producir en nuestros laboratorios. Para que te hagas una idea, las escalas más altas de energía que hemos conseguido en el laboratorio son las que se alcanzan en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones por sus siglas en inglés) que es el mayor acelerador de partículas del mundo. En el LHC se han conseguido energías del orden del teraelectronvoltio o 10¹² electronvoltios, pero cuando hablamos de gravedad cuántica las escalas de energía son del orden de 10¹⁶ teraelectronvoltios. Es decir, unos órdenes de magnitud muy superiores a los que podemos testar. Por eso nos las tenemos que ingeniar para predecir efectos observables y medirlos. Las dos ventanas más prometedoras para medir efectos de gravedad cuántica son precisamente el universo primitivo y la física de agujeros negros.

Por lo que se refiere a la física de agujeros negros, en principio, nuestra visión clásica de agujeros negros es que dentro de ellos el espacio-tiempo se rompe. Pero eso es porque estamos aplicando la relatividad general en un régimen en el que la misma teoría nos está diciendo que no sirve. En mi opinión sería mucho más natural que llegue un momento en el que el agujero negro se sostenga. En relatividad general el colapso gravitatorio nunca para. Cuando la materia dentro de un agujero negro está compactándose, si aplicamos relatividad general, ese colapso nunca para y llegamos a que la materia debe concentrarse en un único punto, una singularidad. Pero pongamos que ahí hay efectos cuánticos, y esos son los que intentamos describir con la gravedad cuántica de lazos, que pararían ese colapso y estabilizarían ese objeto al que llamamos agujero negro. Y dentro, vete tú a saber cómo es. Probablemente la materia esté en un estado exótico que nuestras leyes físicas actuales no describen.

Mercedes Martín-Benito es doctora en Física Teórica, profesora e investigadora en la Universidad Complutense de Madrid.

Pregunta enviada vía email por Ana Enríquez de Salamanca

Coordinación y redacción: Victoria Toro

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