La pregunta la envía Eduardo Martínez Tapia, analista de sistemas y un "devorador de divulgación científica", como él mismo se define:
"Si he entendido en algo la Relatividad General de Einstein, esta describe la gravedad como el efecto en el tejido del espacio-tiempo causado por la presencia de materia (o energía). Sin embargo, también se representa en física de partículas como un intercambio de gravitones, al igual que la fuerza electromagnética se representa como un intercambio de fotones, la nuclear débil como intercambio de bosones W y Z y la nuclear fuerte como intercambio de gluones entre los quarks. No puedo conciliar de manera coherente ambos conceptos..."
La respuesta la envía Gonzalo Olmo, investigador Ramón y Cajal en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) que trabaja en temas de gravedad cuántica.
La teoría de gravitación de Einstein es una teoría de campos con aspectos que la hacen única frente al resto de interacciones conocidas. Mientras el electromagnetismo, las interacciones débiles y las interacciones fuertes se formulan sobre un espacio-tiempo dado, la gravitación define por sí misma el espacio-tiempo. Para responder a tu pregunta, necesitamos entender 1) cómo se curva el espacio-tiempo, y 2) cómo se comparan dos espacio-tiempos muy similares.
Centrémonos primero en el punto 1). Las ecuaciones de Einstein nos dicen cómo se deforma el espacio-tiempo en función de cómo se distribuyen la materia y energía sobre éste. En ausencia de materia y energía, el espacio-tiempo es plano, no tiene curvatura. Este es el llamado espacio-tiempo de Minkowski o de la relatividad especial. Cuando hay materia/energía, el espacio-tiempo se curva, siendo la curvatura más alta en aquellas regiones donde la acumulación de materia/energía es mayor. El caso extremo más característico es el de un agujero negro, donde la densidad de materia/energía y la curvatura pueden llegar a hacerse infinitas en algunas regiones.
Ahora vayamos al punto 2). Si conocemos la geometría asociada a una cierta distribución de materia/energía, las ecuaciones de Einstein nos permiten determinar con mucha precisión cómo pequeños cambios en esa distribución modifican la geometría del espacio-tiempo. Estos pequeños cambios se conocen con el nombre de "perturbaciones". En el Sistema Solar, por ejemplo, el Sol es la fuente de materia/energía dominante y el responsable principal de la curvatura del espacio. A pesar de su masa, el Sol genera una pequeña perturbación con respecto del espacio-tiempo plano de Minkowski. Cerca de un agujero negro, sin embargo, la geometría está muy deformada y no puede describirse como una perturbación respecto de Minkowski.
La gravitación como campo
Al igual que ocurre con el electromagnetismo, las interacciones débiles o las interacciones fuertes, las perturbaciones gravitatorias pueden visualizarse como un nuevo campo que se propaga sobre una geometría dada o de referencia. Si el espacio-tiempo de referencia es Minkowski, estas perturbaciones describirán la fuerza gravitatoria entre masas tales como el Sol, los planetas, o nosotros mismos. Si la referencia es un agujero negro, las perturbaciones darán cuenta de pequeñas fluctuaciones con respecto del intenso campo gravitatorio del agujero negro.
De la misma manera que el fotón surge al aplicar las reglas de cuantización al campo electromagnético, la noción de gravitón surge al cuantizar las ecuaciones que gobiernan las perturbaciones gravitatorias. Las ondas gravitatorias son perturbaciones sobre una geometría de referencia y tienen asociada una partícula de masa nula y espín 2. El gravitón, por tanto, es una manifestación cuántica perturbativa de la interacción gravitatoria.
Ahora bien, la electrodinámica cúantica, por ejemplo, es una teoría renormalizable (capaz de "domar" los infinitos que aparecen en los cálculos), mientras que una cuantización similar de las perturbaciones gravitatorias es "indomable" (no renormalizable) y no puede deshacerse de los infinitos de una manera adecuada. Esto hace que la teoría cuántica de las perturbaciones gravitatorias carezca de cualquier poder predictivo, un requerimiento esencial en la ciencia.
Aunque hoy por hoy aún no es posible explicar todos los aspectos geométricos de la gravedad, desde Minkowski a los agujeros negros, partiendo de un concepto cuántico y perturbativo como es el gravitón, en los últimos 30 años se ha progresado mucho en el desarrollo de una teoría cuántica completa del campo gravitatorio. Los mayores avances se han conseguido en el marco de la Teoría de Cuerdas (String Theory) y en el de la Gravedad Cuántica de Lazos (Loop Quantum Gravity).
Teoría cuántica del campo gravitatorio
La Teoría de Cuerdas es capaz de integrar al gravitón (de espín 2) junto al fotón (de espín 1) y otros portadores de las fuerzas de la naturaleza como diferentes "modos de vibración" (o notas) de objetos unidimensionales (cuerdas). De igual forma, las partículas elementales, como el electrón o los quarks, ya no serían puntuales, sino que aparecerían como distintas notas musicales (modos de vibración) de una cuerda fundamental. En la Gravedad Cuántica de Lazos, la cuantización de las ecuaciones de Einstein se realiza de manera no perturbativa, es decir, se cuantiza la geometría completa, no sólo sus pequeñas fluctuaciones/perturbaciones. Esto lleva a resultados tan sorprendentes como la existencia de valores cuantizados para los operadores de área y volumen, lo que permite interpretar el continuo espacio-tiempo como una red de "átomos" de espacio-tiempo.
Estas teorías de gravitación cuántica aún deben enfrentarse a grandes retos técnicos antes de poder confrontarse directamente con observaciones/experimentos para determinar si alguna de ellas es realmente viable. El CPAN cuenta con varios grupos de investigadores trabajando tanto en aspectos teóricos como experimentales relacionados con estas apasionantes cuestiones.
Para saber más:
Posts de Francis Villatoro (@emulenews) en Naukas sobre Sobre Teoría de Cuerdas "La teoría de cuerdas y supercuerdas" y Gravedad Cuántica de Lazos "La prima fea de la gravedad cuántica".
