Ciencia y Tecnología
Unos astrofísicos creen haber encontrado el Santo Grial que unificará la Física: una solución cuántica para los agujeros negros
Las dos familias de la Física no se hablan desde hace 100 años. La relatividad general de Einstein describe con precisión centenaria el universo a gran escala: cómo los planetas, las estrellas y las galaxias deforman el tejido del espacio-tiempo. Por otro lado, la mecánica cuántica explica el extraño y diminuto mundo de las partículas subatómicas.
Ambas teorías forman los pilares de la ciencia moderna, pero son fundamentalmente incompatibles. Unificarlas en una sola teoría de la “gravedad cuántica” es, desde hace décadas, el Santo Grial de la Física. Una nueva investigación sugiere que la clave para lograrlo podría estar escondida en el corazón de los objetos más enigmáticos del universo: los agujeros negros.
El muro infranqueable de la Física. El problema es simple y a la vez increíblemente complejo. La mecánica cuántica ha logrado explicar tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. La gravedad, sin embargo, se le resiste. La relatividad general, nuestra mejor teoría de la gravedad, se desmorona en los entornos más extremos del universo, precisamente donde los efectos cuánticos deberían ser cruciales.
El ejemplo más claro de esta ruptura son las singularidades, los puntos de densidad teóricamente infinita que se encuentran en el centro de los agujeros negros. Para los físicos, un infinito en una ecuación es una señal de alarma que indica que la teoría ha llegado a su límite. “Creemos que la relatividad general solo funciona en escalas grandes o ‘macroscópicas’, pero que en distancias muy cortas, o escalas microscópicas, debe ser reemplazada por una teoría cuántica de la gravedad”, explicó a Space.com el físico teórico Xavier Calmet, autor de un nuevo estudio publicado en Europhysics Letters.
Una nueva receta para los agujeros negros. Hasta ahora, la teoría de cuerdas era la candidata principal para esta unificación, a falta de verificación experimental. Pero Calmet y su equipo han adoptado un enfoque diferente y sorprendentemente eficaz. En lugar de una teoría de la gravedad cuántica completa y acabada, han utilizado lo que se conoce como la “acción efectiva de Vilkovisky-DeWitt” para calcular correcciones cuánticas universales que deberían aplicarse a las ecuaciones de Einstein, sin importar cuál sea la teoría subyacente.
Al aplicar estas correcciones, el equipo descubrió algo fascinante: además de agujeros negros que surgen de la relatividad general, deben existir también agujeros que nacen de “soluciones cuánticas”. Y no se trata de simples ajustes a los agujeros negros que ya conocíamos. “Son agujeros negros completamente nuevos que existen en un mundo de gravedad cuántica”, explica Calmet. Nuevos objetos teóricos que emergen de las mismas matemáticas, pero con un “sabor” cuántico.
Qué significa todo esto. La relatividad de Einstein funciona de maravilla para cosas enormes como planetas y galaxias (un mundo continuo); y la mecánica cuántica, para lo diminuto, como los átomos (un mundo a saltos). Cuando se trata de explicar los agujeros negros, la relatividad predice una singularidad, un punto de densidad infinita que, en la práctica, nos dice que la teoría ya no funciona.
Lo que han hecho estos físicos es usar un “parche” matemático para añadirle las reglas cuánticas básicas a la relatividad. Este parche es la acción de Vilkovisky-DeWitt, desarrollada por los físicos Georgy Vilkovisky y Bryce DeWitt. Al hacerlo, no solo arreglaron el “error”, sino que descubrieron que las nuevas reglas permiten la existencia de un tipo de agujero negro completamente nuevo, uno que simplemente no podía existir según las viejas reglas de Einstein.
¿Podremos verlos alguna vez? El estudio detalla cómo estas soluciones se pueden construir cerca del horizonte de sucesos, la frontera a partir de la cual nada puede escapar del agujero negro. Aunque estas soluciones cuánticas son teóricamente distintas, distinguirlas de sus homólogas clásicas es, por ahora, una tarea casi imposible. Las diferencias más significativas se manifiestan muy cerca del horizonte de sucesos, una región que no podemos observar directamente.
“Los agujeros negros astrofísicos que estamos observando bien podrían ser descritos con nuestras nuevas soluciones en lugar de las de la relatividad general”, concluye Calmet. “Como ambas teorías coinciden a grandes distancias, será difícil proponer pruebas capaces de diferenciar entre los dos tipos de soluciones”.
La teoría demuestra que es posible que existan agujeros negros dentro de un marco de gravedad cuántica. Pero los secretos de la gravedad cuántica siguen ferozmente guardados por estos titanes cósmicos: la respuesta al mayor enigma de la Física moderna tal vez no está en un acelerador de partículas, sino orbitando silenciosamente en la oscuridad del espacio.
Imagen | NASA
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La noticia
Unos astrofísicos creen haber encontrado el Santo Grial que unificará la Física: una solución cuántica para los agujeros negros
fue publicada originalmente en
Xataka
por
Matías S. Zavia
.
Las dos familias de la Física no se hablan desde hace 100 años. La relatividad general de Einstein describe con precisión centenaria el universo a gran escala: cómo los planetas, las estrellas y las galaxias deforman el tejido del espacio-tiempo. Por otro lado, la mecánica cuántica explica el extraño y diminuto mundo de las partículas subatómicas.
Ambas teorías forman los pilares de la ciencia moderna, pero son fundamentalmente incompatibles. Unificarlas en una sola teoría de la “gravedad cuántica” es, desde hace décadas, el Santo Grial de la Física. Una nueva investigación sugiere que la clave para lograrlo podría estar escondida en el corazón de los objetos más enigmáticos del universo: los agujeros negros.
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El ejemplo más claro de esta ruptura son las singularidades, los puntos de densidad teóricamente infinita que se encuentran en el centro de los agujeros negros. Para los físicos, un infinito en una ecuación es una señal de alarma que indica que la teoría ha llegado a su límite. “Creemos que la relatividad general solo funciona en escalas grandes o ‘macroscópicas’, pero que en distancias muy cortas, o escalas microscópicas, debe ser reemplazada por una teoría cuántica de la gravedad”, explicó a Space.com el físico teórico Xavier Calmet, autor de un nuevo estudio publicado en Europhysics Letters.
Una nueva receta para los agujeros negros. Hasta ahora, la teoría de cuerdas era la candidata principal para esta unificación, a falta de verificación experimental. Pero Calmet y su equipo han adoptado un enfoque diferente y sorprendentemente eficaz. En lugar de una teoría de la gravedad cuántica completa y acabada, han utilizado lo que se conoce como la “acción efectiva de Vilkovisky-DeWitt” para calcular correcciones cuánticas universales que deberían aplicarse a las ecuaciones de Einstein, sin importar cuál sea la teoría subyacente.
Al aplicar estas correcciones, el equipo descubrió algo fascinante: además de agujeros negros que surgen de la relatividad general, deben existir también agujeros que nacen de “soluciones cuánticas”. Y no se trata de simples ajustes a los agujeros negros que ya conocíamos. “Son agujeros negros completamente nuevos que existen en un mundo de gravedad cuántica”, explica Calmet. Nuevos objetos teóricos que emergen de las mismas matemáticas, pero con un “sabor” cuántico.
Qué significa todo esto. La relatividad de Einstein funciona de maravilla para cosas enormes como planetas y galaxias (un mundo continuo); y la mecánica cuántica, para lo diminuto, como los átomos (un mundo a saltos). Cuando se trata de explicar los agujeros negros, la relatividad predice una singularidad, un punto de densidad infinita que, en la práctica, nos dice que la teoría ya no funciona.
Lo que han hecho estos físicos es usar un “parche” matemático para añadirle las reglas cuánticas básicas a la relatividad. Este parche es la acción de Vilkovisky-DeWitt, desarrollada por los físicos Georgy Vilkovisky y Bryce DeWitt. Al hacerlo, no solo arreglaron el “error”, sino que descubrieron que las nuevas reglas permiten la existencia de un tipo de agujero negro completamente nuevo, uno que simplemente no podía existir según las viejas reglas de Einstein.
¿Podremos verlos alguna vez? El estudio detalla cómo estas soluciones se pueden construir cerca del horizonte de sucesos, la frontera a partir de la cual nada puede escapar del agujero negro. Aunque estas soluciones cuánticas son teóricamente distintas, distinguirlas de sus homólogas clásicas es, por ahora, una tarea casi imposible. Las diferencias más significativas se manifiestan muy cerca del horizonte de sucesos, una región que no podemos observar directamente.
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La teoría demuestra que es posible que existan agujeros negros dentro de un marco de gravedad cuántica. Pero los secretos de la gravedad cuántica siguen ferozmente guardados por estos titanes cósmicos: la respuesta al mayor enigma de la Física moderna tal vez no está en un acelerador de partículas, sino orbitando silenciosamente en la oscuridad del espacio.
Imagen | NASA
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