¿Qué es la gravedad cuántica de bucles? Definición y principios

Quizás no lo sepamos, pero en el mundo de la Física se está librando una batalla sin precedentes. Una guerra que busca encontrar al “Rey del Todo”. Una guerra por encontrar la teoría que, de una vez por todas, unifique la mecánica cuántica con la relatividad general, la mayor ambición de la historia de la ciencia.

Y los rivales son dos teorías enemigas: la Teoría de Cuerdas y la gravedad cuántica de bucles. Seguro que conoces la Teoría de Cuerdas. Hemos oído hablar de ellas infinidad de veces ya que, de momento, es la que está ganando la batalla. Pero sería injusto no prestar atención a la denominada como “hermana fea”: la gravedad cuántica de bucles.

Esta teoría, que nace en el año 1986 (casi 20 años después de la formulación de la Teoría de Cuerdas) siendo formulada por Abhay Ashtekar, un físico indio, mezcla los aparentemente incompatibles mundos de la relatividad general y de la mecánica cuántica y es uno de los candidatos más fuertes a Teoría del Todo.

Pero, ¿qué nos dice esta teoría? Prepárate para que te estalle la cabeza, porque hoy vamos a hablar de cómo es posible que el espacio-tiempo se trate de una red de lazos entretejidos en una especie de espuma dentro de una malla infinita. Sí, no se ha entendido nada. Eso es lo maravilloso. Empecemos.

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Relatividad General, mecánica cuántica y el problema de la gravedad

Antes de entrar a analizar qué es la gravedad cuántica de bucles, debemos entender por qué tuvimos que formular esta teoría y la de cuerdas. Y para ello, debemos retroceder más de cien años en el pasado. Entre 1956 y 106, Albert Einstein publica la famosa Teoría de la Relatividad General.

Con esta teoría de campo gravitatorio, el mundo de la física cambia para siempre. Einstein había revolucionado la concepción del Universo al desechar la concepción de un Cosmos de tridimensional (con tres dimensiones espaciales) y afirmar que el Universo es, en realidad, tetradimensional. A las tres dimensiones espaciales añade una temporal (el tiempo), ya que el tiempo no es algo universal, sino que es relativo.

En este sentido, la Relatividad General afirma que vivimos en un Universo de cuatro dimensiones en el que las tres espaciales y la temporal forman un único tejido: el espacio-tiempo. Un tejido continuo (y recuerda esto de continuo) capaz de curvarse y moldearse dependiendo de las fuerzas que incidan en él. Y es precisamente la curvatura del espacio-tiempo lo que explica la naturaleza de la gravedad.

Con esta teoría de la relatividad general, los físicos estuvieron muy contentos. Durante un tiempo. Poco tiempo, en realidad. Y es que si bien las predicciones de la teoría relativista sirven para explicar el funcionamiento del Universo a nivel macroscópico y hasta el nivel atómico (desde los planetas hasta los átomos de las moléculas de nuestro cuerpo), todos estos cálculos se derrumban cuando entramos en el nivel de las partículas subatómicas.

Al cruzar la frontera del átomo, nos desplazamos a un nuevo mundo que no sigue las reglas del juego de la física que conocemos. Un mundo que no funciona acorde a la relatividad general. El mundo cuántico. Y al ser un mundo que sigue sus propias leyes, fue necesario crear su propio marco teórico: el de la mecánica cuántica.

Asustados, los físicos intentaron ver si era posible entender la naturaleza elemental de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo: electromagnetismo, fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte y gravedad. Las tres primeras pueden entenderse desde la perspectiva cuántica, pero la gravedad no.

No éramos capaces de comprender el origen cuántico de la gravedad. Había algo que fallaba y que impedía unir el mundo cuántico con el de la relatividad general. La naturaleza elemental de la atracción gravitatoria es lo que nos impedía (y nos sigue impidiendo) unificar las leyes del Universo.

Los físicos llevan décadas detrás de una teoría que consiga encajar la gravedad dentro del modelo cuántico. Y, a día de hoy, las dos teorías que están más cerca de hacerlo son, por un lado, la famosa Teoría de Cuerdas, y, por otro lado, la menos popular (pero muy prometedora) Teoría Cuántica de Bucles. Y ahora que ya hemos entendido que tuvo que ambas tuvieron que formularse porque la gravedad no podía explicarse a nivel cuántico, veamos qué nos dice la gravedad cuántica de bucles.

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¿Qué nos dice la Teoría de la Gravedad Cuántica de Bucles?

Haremos una cosa. Primero, definiremos lo que dice esta teoría. Y después, como no se habrá entendido nada, iremos despacio. La gravedad cuántica de bucles o Loop Quantum Gravity es una teoría que busca comprender la naturaleza elemental del tejido espacio-tiempo suponiendo que, a escala de Planck, dicho espacio-tiempo no es continuo, sino que consiste en una red de spin en la que unos bucles se entrelazan entre ellos en una malla infinita. La unidad elemental del espacio-tiempo serían unos lazos entretejidos en una especie de espuma cuántica.

Te hemos avisado de que no se entendería nada. Quien avisa no es traidor. Pero ahora vayamos poco a poco. Año 1967. Bryce Dewitt, físico teórico estadounidense, empieza un trabajo en el que intenta cuantizar la gravedad. En otras palabras, incluir la gravedad dentro del mundo cuántico, que es lo que estaba (y está todavía) de moda.

¿Y qué hizo? Básicamente, decir que el espacio del Universo sería difuso y que seguiría una función de onda propia de lo que se observa en el mundo cuántico. Digamos que teorizó la probabilidad de que el espacio-tiempo no seguiría las leyes de la relatividad general (que es lo que creíamos), sino que se comportaría como lo hacen las partículas subatómicas.

La hipótesis era muy bonita. Al menos, para los físicos. Pero hubo un problema. De ser así, la expansión del Universo no sería continua, sino que iría a saltos. Porque a nivel cuántico, la energía se propaga por cuantos (de ahí el nombre), es decir, “packs” de energía. En nuestro mundo relativista, la energía es continua. Pero si el espacio-tiempo está acorde a las leyes cuánticas, quiere decir que el Universo tendría que expandirse en cuantos. Y esto no tenía ningún sentido.

¿Qué hizo entonces Dewitt? Tirar su teoría a la basura. Afortunadamente, en el año 1986, Abhay Ashtekar, un físico indio, que siempre había defendido la visión de Dewitt, rescató esta teoría del vertedero. Metafóricamente hablando, claro. Él estaba convencido de que Dewitt iba por buen camino, simplemente no había enfocado bien el problema.

Ashtekar, entonces, se propuso unir las teorías cuánticas de Dewitt con la Relatividad General de Einstein. Si lo único que fallaba eran las no-linealidades en el espacio-tiempo (no podía ser que el Universo se expandiera a saltos), la solución pasaba, sí o sí, por evitarlas. ¿Y lo consiguió? Sí. ¿Cómo? Reformulando las teorías de la relatividad general de Einstein. Menudo valor. Ashtekar era valiente.

Toda la Teoría de la Relatividad General de Einstein se basaba en concebir un espacio-tiempo en el que las longitudes explican la métrica de dicho espacio-tiempo. La visión del espacio-tiempo de Einstein se basa en longitudes. Pues bien, Ashtekar modifica el marco teórico. Y, además, de dos formas.

Por un lado, deja de concebir el espacio y el tiempo como dos conceptos inseparables. Siguen estando relacionados, claro, pero el bloque espacio-tiempo que había sido tan sólido, deja de ser tan sólido. Y, por otro lado, en lugar de basarse en longitudes, se basa en áreas. Es decir, pasamos de estudiar las longitudes en el espacio-tiempo a estudiar las áreas dentro solo del espacio (no del tiempo). Puede parecer poco relevante, pero con esto, Ashtekar no solo había abierto las puertas de la gravedad cuántica de bucles, sino que había conseguido una unificación matemática de la mecánica cuántica y la relatividad general.

Matemática. Pero una cosa son los números y la otra la realidad. Ashtekar no pudo conseguir la unificación física. Es decir, seguíamos sin poder explicar la naturaleza elemental de la gravedad a nivel cuántico. Por suerte, tres físicos, unos años después, recogieron el testigo del físico indio.

Theodore Jacobson, Lee Smolin y Carlo Rovelli, durante los años 90, tomaron las teorías de Ashtekar y desarrollaron la teoría cuántica de bucles. Y aquí ya es cuando empezará a estallarte la cabeza. Vieron que el problema de la visión de Ashtekar era que se basaba en las ecuaciones de Dewitt, las cuales hacían llegar a resultados imposibles cuando entraba en juego la gravedad.

Estos tres físicos presentan la hipótesis de que la naturaleza elemental del espacio-tiempo serían bucles. ¿Qué significa esto? Bueno, de nuevo, vayamos poco a poco. La base de esta teoría es que el espacio-tiempo no es continuo. Einstein creía que el espacio-tiempo podía dividirse infinitamente. Y de acuerdo a esta teoría, no. El espacio-tiempo estaría granulado. Tendría cuantos. Vamos, que sería como los pixeles de la pantalla de tu móvil, para que nos entendamos.

Y este espacio-tiempo que nosotros percibimos, a nivel macroscópico, como una tela continua, estaría formado, en realidad y nivel cuántico, por bucles. Estos bucles serían una especie de lazos que se entrelazan entre ellos para dar lugar al espacio-tiempo. Es decir, a diferencia de la Teoría de Cuerdas, en la que miramos la naturaleza elemental de las partículas subatómicas (y decimos que son cuerdas unidimensionales en vibración), aquí miramos la naturaleza elemental del espacio-tiempo.

En la escala más mínima posible, que es la longitud de Planck (la distancia más pequeña que puede existir entre dos puntos en el Universo, que es equivalente a 10 elevado a -35 metros), el espacio-tiempo no sería una malla continua, sino una especie de espuma formada por unos lazos o bucles entretejidos que dan lugar a dicho espacio-tiempo.

Son los nudos de los bucles los que tejen el espacio-tiempo del Universo. Y estos bucles o lazos están entrelazados formando lo que se conoce como red de spin, que representa el estado cuántico de un campo gravitatorio. En otras palabras, la atracción gravitatoria generada por un cuerpo depende de cómo se entrelacen entre sí los bucles del espacio-tiempo que lo contiene. Una red de spin no está en ningún espacio. Es, directamente, el espacio en sí mismo.

Como vemos, estamos explicando la naturaleza cuántica de la gravedad, pues esta se explica a nivel cuántico por la presencia de bucles a escala cuántica y que dan lugar al espacio-tiempo que, por la relatividad general, es capaz de curvarse. Estamos unificando la mecánica cuántica con la relatividad de Einstein.

Y, además, a diferencia de lo que pasa con la Teoría de Cuerdas, no necesitamos introducir en nuestro marco teórico 10 dimensiones (11, si entramos en la Teoría M), sino que nos sirven las cuatro dimensiones que conocemos. Además, es una sola teoría (para el modelo de cuerdas, hay 5 teorías distintas) y no surgen cosas extrañas como las 10 elevado a 500 posibles combinaciones de Universos o branas donde se anclan las cuerdas.

Entonces, ¿cómo puede ser que la gravedad cuántica de bucles no sea más popular? ¿Por qué no está ganando, de calle, la batalla a la Teoría de Cuerdas? Básicamente, por un motivo: la gravedad cuántica de bucles es una teoría de la gravedad. De las cuatro fuerzas fundamentales, solo explica una: la atracción gravitatoria.

La Teoría de Cuerdas, aunque te obliga a pensar en 10 dimensiones (6 de las cuales no podemos ni podremos nunca percibir), explica la naturaleza elemental de las cuatro incluida la gravedad. Aun así, ambas teorías están incompletas. Queda mucho todavía por estudiar y muchos descubrimientos que hacer antes de conseguir la tan ansiada Teoría del Todo. ¿Qué bando eliges tú?