Un cambio de paradigma: ¿Pueden las reglas de la mecánica cuántica influir en la gravedad?
Desde hace más de un siglo, la relatividad general de Einstein nos ha explicado con éxito la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo causada por la masa y la energía. A su vez, cuando cambiamos de escala y nos movemos al mundo microscópico, las reglas cambian y la mecánica cuántica ha sido la encargada de explicar los fenómenos que ahí suceden. A pesar de los esfuerzos de numerosos investigadores por unificar ambas teorías en una sola, conocida como gravedad cuántica, no se ha logrado el objetivo. Sin embargo, un nuevo estudio liderado por Benjamín Koch, profesor visitante del Instituto de Física e investigador en la Universidad Tecnológica de Viena, en conjunto con Ángel Rincón, ex estudiante UC y Ali Riahinia, propone una forma diferente de abordar este desafío.
El cambio de paradigma
En la relatividad general, cualquier objeto que se mueve libremente en un espacio-tiempo curvado, ya sea la Tierra orbitando el Sol o una manzana cayendo de un árbol, sigue un recorrido llamado geodésica. Esta trayectoria no es arbitraria: es el camino más natural que sigue un objeto bajo la influencia de la gravedad, determinada por la geometría del espacio-tiempo.
¿Qué sucede cuando miramos el espacio-tiempo con lentes cuánticos?
A escalas extremadamente pequeñas, la física cuántica nos dice que nada es completamente continuo. Esto implica que las trayectorias de las geodésicas podrían verse alteradas.
En el artículo publicado recientemente, los investigadores proponen la existencia de las q-désicas, una versión generalizada de la geodésica que considera que el espacio-tiempo, por sí mismo, puede presentar una incertidumbre cuántica, del mismo modo que la posición y el momento tienen incertidumbre en la mecánica cuántica. Esto significa que las partículas pueden seguir trayectorias ligeramente diferentes a las predichas por la relatividad general clásica, incluso cuando el espacio-tiempo parece uniforme en promedio.
Se puede ejemplificar con una hoja de papel lisa y uniforme, que representa el espacio-tiempo según Einstein, sin embargo, tal observarla con con un microscopio ultrapotente, descubres que no es lisa, sino que está llena de vibraciones y rugosidades. Así podría ser el espacio-tiempo a escalas cuánticas: no un escenario fijo, sino un mar de fluctuaciones que afecta cómo se mueven las cosas.
“Nos dimos cuenta de que, por las leyes de la mecánica cuántica, debería esperarse una diferencia entre una línea q-désica y una línea geodésica. No es que intuyéramos un efecto así de antemano; al contrario, fue más bien una sorpresa ver que, al incluir la constante cosmológica en nuestras soluciones de la ecuación q-désica, aparecían diferencias con la geodésica. Lo interesante es que estas diferencias parecen ser relevantes tanto a escalas extremadamente pequeñas como la escala de Planck, que es más intuitivo, pero nos sorprendió cuando vimos que también aplica a escalas extremadamente grandes, más allá del radio de una galaxia”, explica Benjamín Koch.
Proyecciones y nuevas preguntas
Descubrir cómo se comporta la gravedad a nivel cuántico es crucial porque podría ayudar a explicar fenómenos que aún no comprendemos del todo, como la naturaleza de los agujeros negros, la energía oscura o incluso el origen del universo.
Actualmente no existen observaciones sensibles a los efectos de la gravitación cuántica. Por eso, los físicos teóricos solo pueden orientarse evaluando la consistencia matemática de las teorías propuestas y resolviendo sus ecuaciones para casos idealizados. Al considerar el cambio de paradigma que introduce esta publicación, las q-désicas podrían diferir de las geodésicas ordinarias a lo largo de distancias cosmológicas, afectando la forma en que la materia y la luz se propagan a través del universo.
“En principio, casi todo lo que sabemos por observaciones astrofísicas y cosmológicas se obtuvo asumiendo líneas geodésicas. Por lo tanto, deberíamos reevaluar todo ello. Lo sorprendente es que estas correcciones no solo serían relevantes en lo microscópico, sino también a escalas cósmicas, más allá del tamaño de una galaxia. Esto abre preguntas fascinantes: ¿podrían estas desviaciones explicar fenómenos como las curvas de rotación galácticas o la aceleración del universo? Por ahora, todo es teórico, pero el mensaje es claro: incluso los caminos que siguen la luz y la materia podrían revelar pistas sobre la estructura cuántica del cosmos. Tras esta publicación continuaremos trabajando en colaboración con el investigador del Instituto de Física, Enrique Muñoz, para ver si logramos observar esas diferencias, para estar un paso más cerca de resolver uno de los mayores enigmas de la física: ¿cómo se entrelazan lo cuántico y lo gravitacional? Estimamos que no nos faltará trabajo en los próximos años”, reflexiona Benjamín Koch.
