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Gravedad y QED

Área: Física — Miércoles, 10 de Noviembre de 2010

La introducción de la gravedad hace que se puedan realizar ciertos cálculos en electrodinámica cuántica y nos proporciona pistas sobre unificación y gravedad cuántica.

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Un trabajo teórico proporciona pistas sobre el papel que puede tener la gravedad en una teoría cuántica de campos.
Las fuerzas conocidas son el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y la gravedad. La primera controla la química, nuestros aparatos eléctricos y electrónicos, la segunda los procesos de desintegración y la tercera es la responsable de evitar que los núcleos atómicos se disgreguen por la repulsión electrostática provocada por la primera. La última mantiene la integridad de planetas, sistemas solares, galaxias y todo el Universo.
Pasaron muchas décadas desde que se descubrió la Mecánica Cuántica (MC) hasta que se pudieron crear teorías cuánticas que describieran algunas de estas interacciones, son las teorías cuánticas de campos. Una de ellas es la electrodinámica cuántica (QED), que describe las interacciones entre fotones y partículas cargadas como los electrones. Permite ver cómo se aniquilan un electrón y un positrón y cómo producen un fotón en el proceso. Este marco teórico permite tener en cuenta, por ejemplo, las fluctuaciones del vacío y cómo estas fluctuaciones (aparición espontánea de partículas virtuales durante el breve periodo de tiempo permitido por el principio de incertidumbre) afectan a las demás partículas. Así por ejemplo la fuerza electrostática se puede ver como un intercambio de fotones virtuales entre dos cargas. Los fotones, en este caso, serían los bosones (partículas de spin entero) responsables de la fuerza electromagnética.
También tenemos la cromodinámica cuántica (QCD), que explica en términos similares a los anteriormente descritos, las interacciones de los quarks (¿cuarks?), que son los componentes de los bariones (combinaciones de tres quarks como los protones y neutrones) y los mesones (combinaciones de dos quarks). En definitiva describe la interacción fuerte. Los quarks se mantendrían unidos entre sí gracias al intercambio de gluones, que serían los bosones portadores de la fuerza fuerte.
Tanto en un caso como en otro, los cálculos son difíciles y algunas veces es necesario el uso de computadores, como en la QCD. Además, en este tipo de teorías aparecen infinitos que hay que eliminar para que la física tenga un sentido. Para ello se utilizan diversas técnicas, como la renormalización.
Pero a los físicos les gusta tener un marco teórico que explique las cosas de una manera unificada. De este modo se consiguió unir la interacción electromagnética y la débil en una sola teoría. A altas energías no se tendrían estos dos tipos de interacción sino sólo una: la interacción electrodébil. Esta unificación fue exitosa y disponemos de buenos resultados experimentales que la corroboran.
El siguiente salto sería una unificación que uniera la electrodébil y la fuerza fuerte. Aunque hay algunos modelos teóricos que predicen cómo se podría dar esto, estamos a la espera de que los datos del LHC nos indiquen por dónde va la cosa. Si se consiguiera demostrar la supersimetría, por ejemplo, sería bueno en este sentido. Recordemos que la supersimetría es una idea independiente de las teorías de cuerdas, algo que éstas necesitan, pero que no predicen.
Si todo esto finalmente se confirma habría una energía más allá de la cual sólo habría una fuerza que daría cuenta de la interacción débil, fuerte y electromagnética. Esta energía se habría alcanzado una fracción de segundo después del Big Bang y se correspondería a un estado físico bastante sencillo.
Pero hemos dejado de lado en esta descripción a la gravedad. Pese a todos los esfuerzos y trabajo invertido en ello, la fuerza de la gravedad se escapa a ser descrita cuánticamente. No tenemos una teoría cuántica de la gravedad. Tampoco tenemos una manera de unir esta interacción con las demás en una teoría unificada que las describa a todas. Cuando se considera la fuerza de la gravedad entre partículas se ve que es muy débil a distancias normales pero se torna muy fuerte a distancias muy cortas, tan fuerte que no se puede incluir en una teoría cuántica sin que aparezcan infinitos y otros problemas.
Uno de los esfuerzos teóricos que más recursos e intelectualidad se ha tragado ha sido las teorías de cuerdas que pretenden precisamente hacer esto mismo. Después de 30 años se ha convertido poco más o menos que en una religión incapaz de predecir nada comprobable experimentalmente.
Por eso, cualquier pista o indicio que nos hable del papel de la gravedad a nivel cuántico es bien recibido, aunque no represente una teoría cuántica de la gravedad bien definida.
Esta es la razón por la cual a David Toms, de Newcastle University, le han publicado recientemente un trabajo sobre este tema en Nature, pese a que esta revista no suele publicar estudios “exóticos” de este tipo.
Toms ha encontrado que la introducción de la gravedad en la QED facilita los cálculos a alta energía. Es de los pocos casos teóricos en los que la introducción en Mecánica Cuántica de la interacción gravitatoria se hace armoniosamente sin que aparezcan infinitos y hace, en definitiva, que los cálculos sean más manejables.
Sin embargo, no lancemos las campanas al vuelo. Una teoría totalmente unificada está todavía igual de lejos que hace un par de semana. Incluso la gravedad en este esquema sigue siendo no cuantizable e incontrolable teóricamente. Además, otros teóricos dicen que todavía es pronto para decir nada y que hay que consolidar estas nuevas ideas.
Un problema de la QED que aparece en la descripción de la interacción entre partículas cargadas (electrones por ejemplo) y fotones, es que esta interacción aumenta sin cesar a altas energías. Esto es el resultado de la polarización del vacío. La carga del electrón no es la carga “desnuda” del electrón, sino que es la carga desnuda del electrón apantallada por todas las partículas virtuales que aparecen alrededor de él. A altas energías, es decir a distancias cortas, este efecto de apantallamiento disminuye y la carga efectiva aumenta hasta límites que teóricamente no son fáciles de manejar y la teoría se transforma en inútil.
Uno esperaría lo contrario, como ocurre en la fuerza fuerte, en donde la fuerza tiende a cero a altas energías. Es lo que se llama libertad asintótica, algo por lo que Frank Wilczek, David Gross y David Politzer recibieron el Nobel hace poco. La constante de acoplamiento g de la QCD decrece con la energía y la interacción entre quarks se vuelve más débil a distancias cortas.
Uno esperaría que la unificación de fuerza débil, fuerte y electromagnética fuera también asintóticamente libre a altas energías. A cierto nivel de energía los valores de todas las constantes de acoplamiento convergerían a un solo valor fijo.
Toms ha descubierto una manera de evitar el problema de la QED. Introduciendo la gravedad en el esquema consigue ir más allá en los cálculos y que los valores no se disparen a altas energías. Básicamente permite que ciertos cálculos sean más manejables.
Si se pudiera probar que la gravedad cuántica hace que la QED sea asintóticamente libre entonces la QED sería una teoría viable por sí misma. Según los cálculos de Toms, la introducción de la gravedad hace que la interacción entre electrones y fotones sea prácticamente nula a altas energías (1015–1019 GeV). Este debilitamiento permitiría a los físicos teóricos calcular el comportamiento de los electrones a muy altas energías.
Según Toms esto querría decir, físicamente, que la carga eléctrica se ve afectada por la gravedad. A largas distancias no pasa nada y el comportamiento es el mismo que el que aparece en los libros de texto de bachillerato. Pero a distancias cortas, la carga se debilita gracias a la gravedad, pues aunque las masas de las partículas implicadas sean pequeñas no es despreciable a distancias cortas. Este resultado es inesperado porque en ausencia de gravedad esta carga se dispararía al infinito.
Hay todavía mucho trabajo por hacer y este estudio sólo proporciona unas pistas que seguir. La gravedad en sí misma sigue siendo incontrolablemente fuerte a altas energías. Toms introduce la gravedad mediante la cuantización de la Relatividad General y este esquema de gravedad deja de funcionar a las energías en las que se espera que ocurra una unificación total.
Todavía no se sabe seguro si el método es aplicable a otras interacciones. Quizás en esos casos el método falle por algún lado, aunque ahora parece que no es así. Según Toms se obtendrían resultados similares para cualquier teoría de Yang-Mills. Por lo tanto, la escala de energías a la que se daría la unificación de la gravedad y de las demás interacciones fundamentales se produciría a menor escala que la escala de Planck. Incluso con mucha suerte esta unificación se podría alcanzar con futuros aceleradores.
Si éste fuera un método universal, aplicable en todos los casos estaríamos, sin duda, en posesión de una herramienta teórica poderosa.

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Fuentes y referencias:
Noticia en Nature.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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11 Comentarios

  1. Gerardo:

    Aunque el culto a la teoria de las cuerdas parece religion, tambien esa busqueda de la teoria del todo (tome el nombre o camino que sea) tambien parece una busqueda de una verdad mitica. Parece mentira que tantos cerebros geniales, tanto dinero invertido en aceleradores por ejemplo, durante tanto tiempo, no hayan dado con la ecuacion buscada. QUE POR CIERTO, APUESTO QUE VA A SER TAN SIMPLE COMO E=MC^2 (bueno tal vez no tanto), pero cuando se descubra la clave, todo se va a resolver facil y rapido

  2. Alejandro Álvarez Silva:

    Francamente un resultado ampliamente satisfactorio. Veremos si puede confirmarse esta teoría… Aportaría un gran adelanto en el trabajo tanto teórico como experimental Saludos:
    Alejandro Álvarez
    Blog Simbiotica

  3. NeoFronteras:

    Estimado Gerardo:
    Pues sí, eso de “teoría del todo” suena bastante mal (aunque se lleva la palma la “partícula de Dios”). Además de sonar un poco místico no responde a la realidad, porque, aunque se descubriera algo así, no describiría todo, sino sólo las interacciones y partículas fundamentales (que ya sería bastante). No describiría la genética, ni la Mente ni ninguna propiedad emergente compleja.

    Pero surgen varias preguntas de todos modos:
    – ¿Por qué todo debe de estar “unificado”?
    – ¿Qué diablos es unificación?
    – ¿Por qué la gravedad se tiene que comportar como las otras fuerzas si en la realidad es infinitamente más débil que cualquiera de ellas?

    Puestos a especular quizás la gravedad juegue un papel especial en el asunto. Quizás es la que permite que las demás se unifiquen, como parece sugerir este trabajo, pero que no sea describible por una teoría cuántica de campos al uso, sino por otro tipo de teoría aún por descubrir. De este modo no sería un personaje más, sino algo “paralelo”.

    En cuanto a las cuerdas son muy complejas, y con el tiempo se complican aún más. Dejaron la navaja de Occam en el abismo más profundo hace ya mucho tiempo. Aunque es un principio filosófico y no científico, hay un argumento a favor de la navaja de Occam (u Ockham o Ockam) y es que un modelo lo suficientemente complejo es capaz de describir cualquier cosa.
    Estas teorías imponen una descripción de la escala de Planck a base de dimensiones compactas y geometrías complicadas, pero no explican por qué es así. Simplemente escogen el número de dimensiones y geometría que a los teóricos que trabajan en ellas les conviene para que salga algo con sentido, o casi. El espacio es simplemente un marco en el que ocurren las cosas y no un protagonista como la Relatividad nos enseña. Es como si con estas teorías se fuera hacia a atrás en términos conceptuales.

    Toda teoría cuántica que aspire a describir la gravedad tiene que dar una explicación para la génesis del espacio y su dinámica. Si además hace lo mismo para el tiempo mejor que mejor. Las cuerdas no hacen esto.

    Toda teoría científica (esto es, algo que no es religión, ni literatura, ni en definitiva un invento) debe de ser comprobable con algún experimento a través de alguna de sus predicciones. Echar mano de universos paralelos, principio antrópico, dimensiones que no se ven, etc. es acientífico y además no explica nada. Si queremos hacer ciencia es para explicar algo, preferiblemente del Universo en el que estamos.
    Si propongo una teoría sobre la existencia de un dulce universo paralelo lleno de gominolas quizás nadie crea en él, pero tiene la misma validez científica de otros modelos “serios”: ninguna.
    Tampoco bastan explicaciones del tipo: “porque es así y ya está”, porque para llegar ahí nos podíamos haber conformado hace tiempo con un modelo de Universo pensando para gentes del Paleolítico. Si hemos avanzado algo desde entonces es porque ese tipo de respuestas no nos valen, no nos han bastado.

    Las cuerdas y sus sucedáneos (ya van por las branas) tienen todos estos fallos. No podemos poner todos los huevos de la Física Teórica en la cesta rota de cuerdas, por mucho que vibren.

  4. Alejandro Álvarez Silva:

    De acuerdo contigo Neo… El experimento lo es todo (los hechos científicos). La teoría debe dar cuenta de estos hechos e ir un poco más allá, proponiendo experimentos que confirmen nuevos datos experimentales. Muchos saludos:
    Alejandro Álvarez

  5. Teaius:

    Amigo NeoFronteras. Me encanta visitar este sitio porque tienes una capacidad para explicar los temas que es extraordinaria y ya la quisieran para si muchos divulgadores de la ciencia. Capacidad que veo que es también aplicable a los comentarios.

    Enhorabuena por este sitio.

    Un saludo.

  6. pvl:

    Completamente de acuerdo con Neo: por poner un ejemplo, la física cuántíca es tan desconcertante y contraintuitiva que hasta los propios especialistas distan mucho en ponerse de acuerdo en su “interpretación última”. Sin embargo, sin ir más lejos, estoy escribiendo esto en un cacharro que funciona en gran medida en base a los conocimientos adquiridos sobre Física cuántica. En ese sentido, es indiferente que comprendamos o nó el significado último de la física cuántica: lo que importa es que funciona. En gran medida, esto me parece una constante de nuestra especie: por ejemplo, manejamos el fuego mucho antes de comprenderlo en profundidad, pero lo que hasta el más tonto sabe sin necesidad de saber nada de química es la evidencia de que el fuego quema. En este sentido, la ciencia debe seguir adelante, por muchos agujeros ignotos que deje en el avance: confiando en que la creatividad de nuestra especie los rellene algún día.

  7. NeoFronteras:

    Muchas gracias, estimado Teaius.

  8. lluís:

    Si apareciera en el LHC un mini-agujero negro, tendríamos pistas para cuantizar la gravedad.Del artículo parece desprenderse que podría “crearse” carga eléctirca.Si fuera así,¿No vulneraría eso el principio de conservación de la carga?.
    Saludos.

  9. joabbl:

    Supongo que eso dependería de cuánto tiempo durase el agujero negro. Como es de suponer que fuese un tiempo ínfimo esto no pondría en peligro ningún principio de conservación… De todas maneras por lo que yo sé la energía de colisión de particulas en el LHC es menor que la de los rayos cósmicos por encima de la atmosfera terrestre.

    PD : ¿Cómo se podría detectar un miniagujero negro que durase millonésimas de millonésimas de segundo?

    Saludos

  10. NeoFronteras:

    No se crea carga eléctrica. Según la QED alrededor de toda carga aparecen partículas virtuales que apantallan la carga que hay en el interior, la desnuda. La carga que vemos, la carga del electrón, por ejemplo, es la carga desnuda menos la debida al efecto de apantallamiento. Cuanto más nos acercamos a la carga interior más vemos la carga desnuda debido a que el apantallamiento es cada vez menos intenso. En ese régimen los cálculos se vuelen complicados debido a la aparición de infinitos.
    Lo malo de estas cosas es que uno nunca sabe si este tipo de cosas se debe a un hecho físico o a una limitación de la teoría.

  11. NeoFronteras:

    En cuanto al agujero negro ya veremos. No creo que aparezcan y si lo hace tampoco sabremos gran cosa de él o si lo podremos distinguir de otro objeto.
    La Física de Altas Energías es a veces un poco difícil. Muchas de las partículas que conocemos nunca las hemos visto en los detectores de los aceleradores. Antes de que pudieran dejar una traza se desintegran. Incluso a casi la velocidad de la luz se recorre una distancia pequeña antes de que se desintegren.
    Conocemos la existencia de esas partículas a partir de los subproductos de su desintegración, de partículas estables (o casi) que sí dejan huella. Las inferimos.
    Luego está la Estadística (mucha) que se usa y un diseño de detectores pensado para encontrar lo que se supone que hay.
    En el LHC incluso hay un software que se deshace de la inmensa mayoría de eventos supuestamente aburridos.
    Por desgracia, esta rama de la Física tiene un poco de arte y otro poco de “fe”.

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