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El tema de este vídeo ha sido elegido por los miembros del canal, ¡mil gracias, gente!
Ahora sí, vamos a hablar del problema más elemental de todo el Universo. Un problema relativamente reciente. Y es que en el nacimiento de la física todo era perfecto; Newton y compañía creían tener los principios por los que se regía el cosmos. Si había un Dios y había esculpido las leyes del mundo, en esa piedra estaba la Teoría Clásica. Estos principios estaban enraizados en todas las buenas explicaciones: desde el movimiento celeste, al movimiento de una flecha, desde el flujo del agua al de un rayo de luz. El cosmos, al menos en sus aspectos más profundos, estaba ya descubierto… Hasta que, hace unos 100 años, la cosa se fue al carajo.
La Teoría Clásica nos dotó de un montón de tecnología capaz de explorar distancias increíblemente pequeñas y lugares de tamaños titánicos. Fuimos más allá, empezamos a experimentar cómo es la realidad que nuestros sentidos no pueden alcanzar, y en esta búsqueda nos dimos cuenta de que las leyes clásicas ya no funcionan siempre. Einstein fue el primero en verlo correctamente, dándose cuenta de que el espacio y el tiempo no eran rígidos como se pensaba. Esto dió lugar a una nueva teoría que sentó como un guante a los problemáticos fenómenos eléctricos y magnéticos: hablo de la relatividad especial, de la que hemos hablado en múltiples vídeos en el canal.
Pero Einstein no se conformó con esto: sintiéndola incompleta, evolucionó la relatividad a su forma final revolucionando la gravedad. Al igual que Newton se dio cuenta de que caer es orbitar, Einstein se dio cuenta de que orbitar es moverse en línea recta solo que en un espacio tiempo curvo; deformado. Se dio cuenta de que el espaciotiempo es un ente dinámico. Había nacido la Relatividad General, de la que también hemos hablado brevemente, una teoría que no solo es capaz de explicar lo mundano, sino también lo increíblemente rápido y lo increíblemente grande, cosechando éxitos incluso hoy en día.
Para algunos la Relatividad General parecía ser esas verdaderas leyes escritas en piedra, pero desde mucho antes el mundo microscópico estaba eclosionando. Los físicos empezaron a ver como los elementos más pequeños se comportaban de maneras completamente locas; locuras que la Relatividad General no era capaz de predecir. Cosas como aparentar estar en varios sitios a la vez, o moverse a diferentes velocidades al mismo tiempo. Para hacer frente a esta nueva cara del mundo, decenas de físicos fraguaron una teoría especializada: la Mecánica Cuántica, un antes y un después en nuestra visión del Universo, que también hemos explorado en montones de vídeos.
Ante semejante panorama, habiendo pasado de tenerlo todo resuelto a entender el cosmos a base de parches, el siguiente objetivo para muchos era volver a juntarlo todo. Construir una teoría que contuviera a todas las otras y volver a explicar todos los aspectos del Universo con unas reglas sencillas. Con una teoría Unificada, del Todo. Este esfuerzo llevó a infusionar las extrañas leyes cuánticas y las de la relatividad especial sobre la poderosa idea de los campos, dando lugar a la teoría cuántica de campos. El origen de las partículas que nos forman y de las fuerzas que las dominan, de los que hablamos en este vídeo.
La idea de los campos cuánticos ha sido increíblemente unificadora, nos ha permitido entender, bajo las mismas reglas, el electromagnetismo y las fuerzas del núcleo atómico; fuerzas a partir de las cuales se construyen casi todos los fenómenos que uno puede imaginar. Parecía que la partida estaba casi ganada, solo quedaba introducir debajo de este paraguas al corazón de la Relatividad General: la gravedad. Si gravedad y cuantica pudieran explicarse a la vez que el resto de interacciones, tendríamos todo explicado elementalmente otra vez.
Dice la leyenda negra que, ante el reto, uno de los supertop del momento comentó algo como “la gravedad en unas semanas la tendremos cuantizada”. Hoy en día todavía no se ha logrado. Pero, ¿por qué? ¿cuál es realmente el problema? ¿por qué interacciones tan distintas como el electromagnetismo y las fuerzas nucleares han podido volverse cuánticas mientras que la gravedad no? Una respuesta que los divulgadores solemos dar es que, al intentar combinar estas dos cosas, la teoría resultante falla escupiendote absurdos; probabilidades, y cantidades que deberían tener un valor concreto ahora se te van hasta el infinito. Sin embargo, esta respuesta no es muy reveladora, simplemente te dice que si mezclas esto con esto el resultado es un desastre. Lo que me lleva a la primera pregunta: ¿por qué es un desastre?
¡Bien! La respuesta es que volver a la gravedad cuántica es un reto de una naturaleza distinta. El proceso por el que uno vuelve cuántica una cierta fuerza o una partícula de materia es, muy grosso modo, así: sobre el espacio tiempo colocas un campo con unas propiedades que se ajusten a tus necesidades. Después obligas a que este campo siga las reglas cuánticas y, con la ayuda de innumerables trucos, ya puedes obtener todas las predicciones que necesitas. El campo será el responsable de generarte la fuerza o la partícula que buscas explicar.
Ahora, en el caso de la gravedad ¿qué habría que hacer? Bueno, lo que la relatividad general nos enseña es que la gravedad no está producida por un campo que está sobre el espacio, es una manifestación del espaciotiempo. Así que lo que hay volver cuántico en este caso… Es al propio espacio tiempo. ¡Ese es el problema! En el caso tradicional el protagonista es el campo y el espaciotiempo es un mero escenario, mientras que en nuestro problema el protagonista ES el escenario; es conceptualmente diferente. Por eso no debería sorprendernos que las tretas habituales no funcionen y los inconvenientes aparezcan.
Por ejemplo, una cosa que los campos cuánticos deben cumplir es que si en una cierta zona sufre una perturbación, otra zona no puede “sentirla” al instante. Siempre tienen que respetar la velocidad de luz, la máxima del universo. Esta es la condición de microcausalidad, así que la impones y modificas el campo para que la cumpla: qué regiones están causalmente conectadas y cuáles no. Pero, ¿cómo impones esto en la curvatura del espaciotiempo? Porque lo que te indica cuales son las regiones causalmente conectadas es la curvatura espaciotiempo. Es decir, que quieres modificar una cosa usando de base esa misma cosa que estás modificando... Usando la misma cosa, que, a su vez, está siendo modificada por la misma cosa… etc. Véis el follón, ¿verdad?
A esto se le suma más quebraderos de cabeza: si la materia y la energía curvan el espacio tiempo, si yo tengo algo en superposición cuántica ¿eso quiere decir que la curvatura del espaciotiempo también debería estar superpuesta? ¿como funciona eso? ¿cómo lo describimos correctamente? ¿Y qué pasa con el observador en todo esto? Si, por ejemplo, estoy trabajando con una superposición que engloba todo el Universo, ¡no hay ningún observador externo que dé sentido a todo esto! ¿Cómo podría explicarse? Muchas preguntas y pocas respuestas.
Pero ¿y si la respuesta es que estamos forzando la situación? ¿Y si la gravedad realmente no es cuántica, la Relatividad General y la Cuántica se odian y van por separado? La movida es que los físicos saben que debe haber un punto de encuentro entre las dos. Pensad en esto, imaginad que tenemos dos electrones separados por unos milímetros. Sobre estos dos están actuando dos fuerzas: la repulsión eléctrica que quiere separarlos y la atracción gravitacional que quiere juntarlos. ¿Qué pasa? Que sus masas son tan pequeñas que la fuerza de la gravedad entre ellas es minúscula, es ridícula en comparación con lo intensa que es su repulsión eléctrica. Pero, ¿qué pasaría si voy acercando los electrones? Durante un tiempo la situación será la misma: la fuerza de la gravedad cada vez será más intensa porque cada vez los electrones están más cerca, pero la repulsión eléctrica habrá crecido igual por el mismo motivo. Pero en cierto momento las tornas cambian. Y es que a medida que la fuerza eléctrica crece, también crece la energía potencial eléctrica de los electrones. Recordemos a Einstein, masa y energía son equivalentes, por lo que, esa energía potencial está contribuyendo a aumentar la masa efectiva de los electrones. A más masa, más gravedad por lo que, en esta aproximación, llega un momento en el que la fuerza eléctrica y la gravitatoria acaban siendo iguales. Es decir, que aquí no hay separación: hay un extremo del mundo en el que la gravedad y el mundo cuántico conviven juntos. A esta distancia se la llama la distancia de Planck. En la escala de Planck, la gravedad cuántica debe manifestarse.
Y alguno me dirá “pero, Crespo, si se sabe que aquí está la respuesta, ¿por qué no se explora? ¿Por qué no se construye una máquina para acercar los electrones y ver qué ocurre?” Respuesta rápida: porque no sabemos cómo. El LHC, supongo que la máquina que más cerca puede aproximar dos partículas entre sí, se queda corta por cientos de billones de veces. Con la tecnología actual necesitaríamos un acelerador del tamaño del sistema solar, y el horno no está para bollos. Aun nos queda mucho tiempo para poder explorar esas regiones del Universo, poner a prueba las propuestas de gravedad cuántica y ver si alguna es la correcta.
Pero al margen de eso hay esperanza teórica. Porque, a pesar de la tensión entre las dos teorías, parece que la cuántica afloja un poco. Porque (y este es un resultado que a mi me deja loco) si construyes un campo con unas propiedades muy similares a las que tiene la curvatura del espaciotiempo y lo fuerzas a ser cuántico, esa imposición permite un único resultado. El resultado es que ese campo interactúa con otras partículas haciendo que se atraigan, justo como la gravedad, y esa atracción es muy similar a la descrita por la relatividad general. Es decir, sin obligar a la cuántica a parecerse a nada, ella misma nos guiña un ojo. ¿Casualidad o es que realmente hay espacio para el entendimiento?
Este vídeo conecta con muchos otros del canal, os dejo las lista por si acaso. Y si os habéis quedado con ganas de más o saber cuales son las propuestas de gravedad cuántica os recomiendo el directazo de dos horas que Javier y el bueno de Pablo hicieron hace unos meses. A los más interesados se que os flipará. Aprovecho también para recomendar los cursos de Javier para los que queráis mancharos las manos con la física de verdad. Lo tenéis todo en la descripción. Y ya sabes si quieres más ciencia solo tienes que suscribirte. Y gracias por vernos.