La nueva teoría cuántica de la gravedad: un paso hacia la Teoría del Todo

Un equipo de investigadores de la Universidad de Aalto, en Finlandia, ha logrado un avance que podría revolucionar nuestra comprensión del universo.

Se trata del desarrollo de una nueva teoría cuántica de la gravedad que la describe de manera compatible con el Modelo Estándar de física de partículas, acercando considerablemente la posibilidad de obtener una teoría unificada de las fuerzas fundamentales.

Un problema histórico en la física teórica

Durante generaciones, los físicos han buscado reconciliar la incompatibilidad existente entre dos pilares fundamentales de la física moderna: la teoría cuántica de campos y la teoría de la gravedad de Einstein. Este objetivo, largamente perseguido, ha representado uno de los mayores desafíos en la historia de la física teórica.

La teoría cuántica describe el mundo de lo infinitamente pequeño -partículas subatómicas que interactúan de formas probabilísticas-, mientras que la relatividad general explica el comportamiento de objetos macroscópicos y sus interacciones gravitacionales.

Ambas teorías han sido confirmadas con extraordinaria precisión en sus respectivos ámbitos, pero hasta ahora resultaban incompatibles entre sí.

Una teoría de gauge

Mikko Partanen y Jukka Tulkki, autores del estudio publicado en Reports on Progress in Physics, han encontrado la clave para describir la gravedad mediante una teoría de gauge adecuada, un tipo de teoría en la que las partículas interactúan entre sí a través de un campo.

"El campo de gauge más familiar es el electromagnético. Cuando partículas con carga eléctrica interactúan entre sí, lo hacen a través del campo electromagnético. De manera similar, cuando tenemos partículas con energía, las interacciones que tienen simplemente por poseer energía ocurrirían a través del campo gravitacional", explica Tulkki en un comunicado publicado por la Universidad de Aalto.

La innovación fundamental consiste en desarrollar una teoría gauge de la gravedad con una simetría similar a las simetrías del Modelo Estándar de física de partículas -que ya describe las otras tres fuerzas fundamentales: electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte-, en lugar de basarla en el tipo de simetría espacio-temporal de la relatividad general.

Implicaciones para comprender el universo

"Si esto resulta en una teoría cuántica de campos completa de la gravedad, eventualmente proporcionará respuestas a los arduos problemas de comprender las singularidades en los agujeros negros y el Big Bang", afirma Partanen, autor principal del estudio.

Esta nueva teoría tiene especial relevancia para entender fenómenos que ocurren en condiciones donde existe un campo gravitacional intenso y altas energías, como las que se dan alrededor de los agujeros negros o en el universo primitivo inmediatamente después del Big Bang, precisamente las áreas donde las teorías físicas actuales dejan de funcionar.

Además, podría ayudar a resolver otros enigmas fundamentales, como por qué existe más materia que antimateria en el universo observable, una cuestión para la que las teorías actuales aún no ofrecen explicación satisfactoria.

De la teoría al mundo práctico

Aunque la física teórica pueda parecer alejada de aplicaciones tecnológicas inmediatas, los investigadores recuerdan que la tecnología moderna se fundamenta en avances teóricos como este. Un ejemplo paradigmático es el sistema GPS de los teléfonos inteligentes, que funciona gracias a la teoría de la gravedad de Einstein.

"Los avances en la comprensión fundamental del universo siempre han terminado generando aplicaciones prácticas, aunque a veces transcurran décadas entre el descubrimiento teórico y su materialización tecnológica", señalan los investigadores.

Trabajo pendiente a partir de ahora

A pesar del gran potencial de la teoría, sus autores reconocen que todavía no han completado su demostración definitiva. La teoría utiliza un procedimiento matemático conocido como renormalización para abordar los infinitos que aparecen en los cálculos.

Hasta el momento, Partanen y Tulkki han demostrado que este método funciona para los denominados términos de "primer orden", pero necesitan verificar que los infinitos puedan eliminarse a lo largo de todo el cálculo.

"Si la renormalización no funciona para términos de orden superior, se obtendrían resultados infinitos. Por tanto, es vital demostrar que este proceso continúa funcionando", explica Tulkki.

Los científicos han publicado su teoría en su estado actual para que la comunidad científica internacional pueda familiarizarse con ella, verificar sus resultados y contribuir a su desarrollo ulterior. "Creemos que es muy probable que tengamos éxito en la demostración completa, aunque todavía queda trabajo por hacer", añade.

Partanen concluye con optimismo: "Al igual que la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad antes que ella, esperamos que nuestra teoría abra innumerables vías de exploración para los científicos", abriendo paso a una nueva era en la comprensión científica del universo.