Einstein: la radical teoría “poscuántica” que busca resolver lo que la física no ha logrado en 100 años

La física cuántica ha demostrado una y otra vez ser la mejor explicación del comportamiento de las partículas más pequeñas del universo, como los electrones, gluones y quarks que componen a los átomos.

Por su parte, la relatividad general, que es la teoría moderna de la gravedad, ha probado ser la mejor descripción de todo lo que ocurre a gran escala, desde el funcionamiento del Sistema Solar y los agujeros negros hasta el origen del universo.

Y, sin embargo, ambas siguen siendo contradictorias entre sí. O sea, las reglas de la relatividad general funcionan a la perfección a nivel de las galaxias, así como también en todo lo que nos rodea y es visible: un árbol, un gato, una perla. Pero en cuanto hacemos un acercamiento y analizamos el comportamiento de algo tan pequeño como un átomo, todo cambia.

Los investigadores ni siquiera pueden usar las mismas matemáticas para explicar una teoría y la otra. La naturaleza de alguna forma logra que ambas coexistan, pero la ciencia no.

Esta incompatibilidad es para muchos la máxima pregunta sin responder de la física.

Einstein y decenas de miles de investigadores de todo el mundo han buscado crear una teoría que una a la física cuántica con la relatividad general.

Es lo que muchos llaman la teoría del todo, un nombre tan atractivo que fue el título de la galardonada película biográfica de Stephen Hawking, uno de los renombrados científicos que intentó —también sin éxito— dar con el santo grial de la física.

Ahora una nueva teoría propone un giro radical en esta centenaria búsqueda.

Su nombre es menos marketinero: se llama teoría poscuántica de la gravedad clásica y es liderada por el físico Jonathan Oppenheim, del Instituto de Ciencia y Tecnología Cuántica del University College de Londres (UCL).

Es tan revolucionaria que incluso algunos de sus detractores reconocen que es el primer acercamiento realmente original que surge en al menos una década.

Aunque suene contradictorio, uno de los aspectos más rupturistas de la teoría de Oppenheim es la parte “clásica” de su nombre.

Hasta ahora, el enfoque predominante para solucionar la incompatibilidad entre la física cuántica y la relatividad general ha sido intentar modificar la segunda para hacerla encajar en la primera.

Es lo que los físicos llaman “cuantizar”, porque se la convierte en una teoría cuántica.

“Cuantizar” la relatividad general tiene aún más sentido si se piensa que es algo que los científicos ya han logrado hacer con las otras tres fuerzas fundamentales que rigen el universo: la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte Y la electromagnética. Solo no lo han conseguido con la gravedad y no por falta de intentos.

“Es un problema matemático muy difícil”, dice Oppenheim a BBC Mundo. “Pero también es conceptualmente difícil, porque estas dos teorías tienen diferencias tan fundamentales que es muy complicado conciliarlas”.

Y explica: “Casi todos los intentos han asumido que debemos ‘cuantizar’ la gravedad. Mi sensación sobre por qué esa tarea ha sido tan difícil es que quizás no es posible y que tal vez estamos apuntando a lo equivocado”.

Por eso junto a su equipo decidieron cambiar el foco y “modificar la teoría cuántica un poco, o mucho, para que estos dos sistemas puedan encajar”.

En su teoría, publicada en diciembre de 2023 en las revistas Nature Communications y Physical Review X, la relatividad general permanece como una teoría no cuántica o clásica.

La física Sabine Hossenfelder del Centro de Filosofía Matemática de Múnich y quien no forma parte de la investigación de UCL, dice a BBC Mundo: “Es una idea muy cool. Es muy raro en este campo ver nacer una nueva idea”.

Ella había sido parte de un comité que revisó la teoría hace 6 años y, si bien la encontró interesante, sentenció que era “muy especulativa, inmadura y vaga”.

“Tenía tantos cabos sueltos que parecía que podía fracasar por completo, así que me impresionó mucho cuando vi lo que salió varios años después, porque abordó casi todos esos puntos”, dice Hossenfelder, aclarando con una sonrisa: “Aunque siempre tengo algo de qué quejarme”.

Antes de seguir con la teoría de Oppenheim, es importante entender el concepto básico de la relatividad general y una de las características de la física cuántica que más perturbaba a Einstein.

Lo que Einstein hizo para revolucionar la ciencia en 1915 fue definir a la gravedad como una deformación del espacio-tiempo, como se suele decir.

La forma más fácil de imaginarlo es pensar en una cama elástica donde ponemos una pelota pesada, por ejemplo, de billar. La tela, entonces, se hunde en el lugar donde está la bola.

Ahora lanzamos una más ligera, como una canica, intentando que gire por el borde de la cama elástica. Lo que sucede es que va moviéndose en círculos cada vez más pequeños, acercándose a la bola de billar.

Según la relatividad general, esto no pasa porque la bola de billar le ejerce una fuerza de atracción invisible, sino porque la forma del tejido —o mejor, su deformación— la obliga a hacer esa curvatura.

En la teoría de Einstein, el espacio-tiempo hace eso mismo de manera tetradimensional para que, por ejemplo, la Tierra gire alrededor del Sol.

Oppenheim explica que en la teoría poscuántica de la gravedad clásica “el espacio-tiempo se mantiene como ese tejido en el que viven las partículas cuánticas, tal como lo concibió Einstein”.

Lo que cambia es que el espacio-tiempo incorpora el azar de la física cuántica, esa característica que dio origen a una de las frases más famosas de Einstein: “Dios no juega a los dados”.

Einstein creía que a esta “moda” de la física cuántica le faltaba información, pero lo que décadas de estudios han demostrado es que la aleatoriedad no se debe a un error en la teoría o un defecto en las mediciones, sino a una característica inherente al comportamiento de las partículas elementales.

Oppenheim y su equipo unen a la física cuántica y a la relatividad general haciendo que el espacio-tiempo también sea inherentemente aleatorio.

“Seguimos teniendo esta aleatoriedad en la teoría cuántica, pero está mediada por el propio espacio-tiempo”, explica el físico. O sea, el tejido en sí pasa a tener fluctuaciones al azar.

Esto es algo «inaceptable» para muchos de sus colegas. Y es probable que para Einstein también lo fuera.

“La estructura aleatoria del espacio-tiempo es lo que, en cierto sentido, está tirando los dados en la teoría cuántica”, dice Oppenheim parafraseando a Einstein.

“Cada vez que propones una teoría debes hacer una serie de chequeos para ver si es consistente con las observaciones. Lo que es emocionante es que esta teoría hace predicciones que pueden ser probadas experimentalmente”, explica Oppenheim.

«Teniendo en cuenta que esta teoría requiere que el espacio-tiempo tenga fluctuaciones, podemos ir a buscarlas», agrega.

Para ello los investigadores proponen medir el peso de una masa con extrema precisión y ver si es constante o si tiene determinadas fluctuaciones.

Por ejemplo, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Francia pesa rutinariamente un objeto de exactamente un kilo que fue usado para crear el estándar mundial de qué es un kilo.

Usando nuevas tecnologías cuánticas de medición, según la teoría poscuántica de la gravedad clásica el peso aparente de dicho objeto dejaría de ser de un kilo y se volvería impredecible.

«Si encuentras las fluctuaciones, entonces demostrarás que la teoría es verdadera y si no las encuentras, podrás refutarla», dice Oppenheim, agregando que «eso es particularmente emocionante».

Oppenheim dice que esta nueva teoría podría responder otra de las grandes incógnitas de la física moderna: qué son la materia oscura y la energía oscura.

Para entender su importancia, primero hay que saber lo que no son.

Todos los planetas, estrellas y objetos cósmicos visibles están hechos de la llamada materia normal. En conjunto, se considera que representan el 5% del universo. El resto, es todavía un misterio al que se le llama materia oscura y energía oscura.

Si las fluctuaciones son lo suficientemente intensas, explica Oppenheim, «serían candidatas muy fuertes para lo que pensamos que son la materia oscura y la energía oscura. Explicarían el 95% de la evolución del universo, de modo que podrían tener un gran impacto».

Por su parte, Hossenfelder resalta que el equipo de UCL desarrolló un marco matemático totalmente nuevo para esta teoría y dice que su mera existencia podría resultar útil para otros propósitos.

En definitiva, la historia de la ciencia está llena de aplicaciones inesperadas. El propio Einstein encendió la chispa de la física cuántica de la cual renegó hasta el final de su vida.

“Si hubiera algo que pudiera confirmar que estas predicciones son ciertas, sería muy interesante y, sin duda, atraería a mucha gente a analizarlas más de cerca”, afirma Hossenfelder.

Pero la teoría tiene apenas un año de publicada y derrocar décadas de un consenso científico con Einstein a la cabeza no será fácil.

Hossenfelder es escéptica, algo que —en su opinión— la pone en una posición de “gana-gana”, como se dice en inglés: gana si tiene razón y gana si se equivoca, porque eso significaría que ella y todos nosotros estamos presenciando el nacimiento de una revolución científica.

*Con reportería de Max Seitz.

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