Nueva teoría promete resolver el mayor enigma de la física

Durante décadas, los físicos han tenido un incómodo problema sobre la mesa: cómo lograr que la relatividad general –que describe la gravedad y la estructura del universo a gran escala– y la mecánica cuántica –que rige el comportamiento del mundo subatómico– puedan convivir pacíficamente. Y es que estas dos teorías, exitosas en sus respectivos dominios, parecen hablar idiomas irreconciliables cuando intentamos unificarlas, como piezas de rompecabezas distintos: encajan por separado, pero no juntas.

Ahora, dos investigadores finlandeses, Mikko Partanen y Jukka Tulkki, de la Universidad de Aalto, proponen una solución audaz: una reinterpretación fundamental de la gravedad que, a diferencia de las teorías anteriores, no requiere ni dimensiones extra ni partículas aún no detectadas o elementos especulativos, como los que caracterizan a la teoría de cuerdas.

"Nuestra teoría no necesita parámetros libres más allá de las constantes físicas conocidas", explicó Tulkki a Live Science. Eso significa que puede ponerse a prueba con experimentos futuros, sin esperar a descubrimientos imposibles.

La gravedad sigue siendo la excepción
La gravedad ha sido tradicionalmente la "oveja negra" de la física. Mientras que las otras tres fuerzas fundamentales –electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte– se describen perfectamente mediante la teoría cuántica de campos, la gravedad sigue siendo la excepción. 

La relatividad general de Einstein la describe como una deformación del espacio-tiempo causada por la masa y la energía, pero cuando los científicos intentan combinar esta descripción con la teoría cuántica, aparecen inconsistencias matemáticas fatales, como probabilidades infinitas.

Una solución elegante
Ahora, el nuevo modelo, publicado en la revista Reports on Progress in Physics, presenta la gravedad de una forma radicalmente diferente. La clave del nuevo enfoque está en reinterpretar el campo gravitatorio de manera que refleje la estructura de las teorías cuánticas ya conocidas.

Así, en lugar de considerarla como una curvatura del espacio-tiempo, como propuso Einstein, los investigadores la describen mediante cuatro campos interrelacionados que funcionan de manera similar al campo que gobierna el electromagnetismo, lo que la acerca a las otras tres fuerzas fundamentales (fuerte, débil y electromagnética), todas descritas por el Modelo Estándar mediante teorías gauge. 

"La idea es tener una teoría gauge de la gravedad con simetrías similares a las del Modelo Estándar, en lugar de basarse en la simetría espacio-temporal de la relatividad general", aseguró Partanen, según un comunicado de la Universidad de Aalto.

  
La mecánica cuántica y la relatividad general siguen siendo teorías incompatibles, aunque los físicos finlandeses propusieron una posible solución teórica.Imagen: Ezthaipho/Dreamstime/IMAGO
Un trabajo teórico
A pesar de sus características prometedoras, el modelo se encuentra aún en sus primeras fases, por lo que no hay que entusiasmarse antes de tiempo. En otras palabras, aunque elegante y "compatible" con la física conocida, sigue siendo un trabajo teórico.

Mientras avanzan en su propuesta, los investigadores han demostrado, según el comunicado de la universidad, que su solución funciona para los llamados "términos de primer orden", pero aún deben completar la prueba de que el procedimiento matemático conocido como renormalización –una forma de tratar los infinitos que aparecen en los cálculos– funciona para todos los niveles. 

"Si la renormalización no funciona para los términos de orden superior, se obtendrán resultados infinitos", advierte Tulkki. "Así que es vital demostrar que esta renormalización sigue funcionando". 

En ese sentido, el marco todavía no se ha podido aplicar a algunas de las cuestiones más profundas de la física gravitatoria y a los mayores enigmas del cosmos: ¿qué ocurre en el corazón de un agujero negro? ¿Qué pasó exactamente en el big bang? ¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo?

"La teoría aún no es capaz de abordar esos grandes retos, pero tiene potencial para hacerlo en el futuro", reconoce Partanen a Live Science. 

Desafíos experimentales y futuro de la teoría del todo
Como expone el medio científico, la verificación experimental representa quizás el mayor obstáculo de todos. Y es que la gravedad es la más débil de las fuerzas conocidas y sus aspectos cuánticos son increíblemente sutiles. En la actualidad, las pruebas directas de los efectos de la gravedad cuántica están fuera del alcance de los instrumentos que tenemos.

Por este motivo, Partanen advierte que "dado el ritmo actual de los avances teóricos y observacionales, podrían pasar varias décadas antes de que se produzcan los primeros avances experimentales que nos proporcionen pruebas directas de los efectos de la gravedad cuántica". No obstante, no descarta la posibilidad de obtener evidencias indirectas mediante observaciones avanzadas en un plazo más corto.

A pesar de estas limitaciones actuales, el potencial de la teoría es prometedor. Si tiene éxito, podría ayudar a resolver algunos de los misterios más profundos del universo, desde el comportamiento de los agujeros negros hasta los primeros momentos del big bang. 

Como señala Partanen, "una teoría que describa coherentemente todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza suele denominarse la Teoría del Todo", y este nuevo enfoque podría representar un paso significativo en esa dirección.

Editado por Felipe Espinosa Wang con información de Reports on Progress in Physics, Universidad de Aalto y Live Science.