La gravedad fue la primera fuerza fundamental que reconoció la humanidad y, sin embargo, sigue siendo la menos comprendida. Los físicos pueden predecir la influencia de la gravedad sobre las bolas de bolos, las estrellas y los planetas con una precisión exquisita, pero nadie sabe cómo interactúa la fuerza con partículas diminutas, o quanta. La búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica -una descripción de cómo funciona la fuerza para las piezas más pequeñas del universo-, que dura casi un siglo, está impulsada por la simple expectativa de que un reglamento gravitacional debería regir todas las galaxias, los quarks y todo lo demás.
«Si no hay teoría, entonces el universo es sólo un caos. Es simplemente aleatorio», dijo Netta Engelhardt, física teórica del Instituto Tecnológico de Massachusetts. «Ni siquiera puedo decir que sea caótico o aleatorio porque esos son procesos físicos legítimos».
El límite de la relatividad general
En el corazón del problema más espinoso de la física teórica se encuentra un choque entre los dos mayores triunfos del campo. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein sustituyó la noción de Isaac Newton de simple atracción entre objetos por una descripción de la materia o la energía que curva el espacio y el tiempo a su alrededor, y de los objetos cercanos que siguen esas trayectorias curvas, actuando como si se atrajeran entre sí. En las ecuaciones de Einstein, la gravedad es la forma del propio espacio. Su teoría mantuvo la descripción tradicional de un universo liso y clásico, uno en el que siempre se puede ampliar una parte más pequeña del espacio.
La relatividad general sigue superando todas las pruebas que los astrofísicos le lanzan, incluyendo situaciones que Einstein nunca hubiera podido imaginar. Pero la mayoría de los expertos esperan que la teoría de Einstein se quede corta algún día, porque el universo, en última instancia, parece accidentado, no liso. Los planetas y las estrellas son en realidad conjuntos de átomos que, a su vez, están formados por electrones y haces de quarks. Esas partículas se juntan o se separan intercambiando otros tipos de partículas, dando lugar a fuerzas de atracción y repulsión.
Las fuerzas eléctrica y magnética, por ejemplo, provienen de objetos que intercambian partículas conocidas como fotones virtuales. Por ejemplo, la fuerza que pega un imán a la nevera puede describirse como un campo magnético clásico y suave, pero los detalles finos del campo dependen de las partículas cuánticas que lo crean. De las cuatro fuerzas fundamentales del universo (la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil), sólo la gravedad carece de descripción «cuántica». Como resultado, nadie sabe con certeza (aunque hay muchas ideas) de dónde vienen los campos gravitacionales o cómo actúan las partículas individuales dentro de ellos.
La fuerza extraña
El problema es que, aunque la gravedad nos mantiene pegados al suelo y en general actúa como una fuerza, la relatividad general sugiere que es algo más: la forma del propio espacio. Otras teorías cuánticas tratan el espacio como un fondo plano para medir lo lejos y rápido que vuelan las partículas. Ignorar la curvatura del espacio para las partículas funciona porque la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas y el espacio parece plano cuando se acerca a algo tan pequeño como un electrón. Los efectos de la gravedad y la curvatura del espacio son relativamente evidentes a niveles más alejados, como los planetas y las estrellas. Pero cuando los físicos intentan calcular la curvatura del espacio alrededor de un electrón, por muy leve que sea, las matemáticas se vuelven imposibles.
A finales de la década de 1940, los físicos desarrollaron una técnica, llamada renormalización, para hacer frente a los caprichos de la mecánica cuántica, que permiten a un electrón animar un aburrido viaje de infinitas maneras. Puede, por ejemplo, disparar un fotón. Ese fotón puede dividirse en un electrón y su gemelo de antimateria, el positrón. Esos pares pueden disparar más fotones, que pueden dividirse en más gemelos, y así sucesivamente. Mientras que un cálculo perfecto requeriría contar la infinita variedad de viajes por carretera de los electrones, la renormalización permitió a los físicos reunir las revoltosas posibilidades en unos pocos números medibles, como la carga y la masa del electrón. No podían predecir estos valores, pero podían introducir los resultados de los experimentos y utilizarlos para hacer otras predicciones, como hacia dónde se dirige el electrón.
La renormalización deja de funcionar cuando entran en escena las partículas teóricas de la gravedad, llamadas gravitones. Los gravitones también tienen su propia energía, lo que crea más deformación del espacio y más gravitones, que crean más deformación, y más gravitones, y así sucesivamente, resultando generalmente en un gigantesco lío matemático. Incluso cuando los físicos intentan amontonar algunos de los infinitos para medirlos experimentalmente, acaban ahogándose en un número infinito de montones.
«Significa efectivamente que se necesita un número infinito de experimentos para determinar cualquier cosa», dijo Engelhardt, «y eso no es una teoría realista».
En la práctica, esta incapacidad para tratar la curvatura alrededor de las partículas resulta fatal en situaciones en las que mucha masa y energía retuercen el espacio con tanta fuerza que incluso los electrones y sus congéneres no pueden evitarlo, como es el caso de los agujeros negros. Pero cualquier partícula que esté muy cerca -o peor aún, dentro- de los agujeros del espacio-tiempo conoce sin duda las reglas del juego, aunque los físicos no lo sepan.
«La naturaleza ha encontrado la manera de hacer que los agujeros negros existan», escribió Robbert Dijkgraaf, director del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, en una publicación del instituto. «Ahora nos toca a nosotros averiguar lo que la naturaleza sabe y nosotros aún no».
Incorporando la gravedad al redil
Usando una aproximación de la relatividad general (Engelhardt la llamó «tirita»), los físicos han desarrollado una noción de cómo podrían ser los gravitones, pero nadie espera ver uno pronto. Un experimento mental sugiere que harían falta 100 años de experimentación con un colisionador de partículas tan pesado como Júpiter para detectar uno. Así que, mientras tanto, los teóricos se replantean la naturaleza de los elementos más fundamentales del universo.
Una teoría, conocida como gravedad cuántica de bucles, pretende resolver el conflicto entre las partículas y el espacio-tiempo dividiendo el espacio y el tiempo en pequeños trozos, una resolución final más allá de la cual no puede haber zoom.
La teoría de las cuerdas, otro marco popular, adopta un enfoque diferente y cambia las partículas por cuerdas similares a fibras, que se comportan mejor matemáticamente que sus homólogas puntuales. Este sencillo cambio tiene consecuencias complejas, pero una característica interesante es que la gravedad desaparece de las matemáticas. Incluso si Einstein y sus contemporáneos nunca hubieran desarrollado la relatividad general, dijo Engelhardt, los físicos habrían tropezado con ella más tarde a través de la teoría de cuerdas. «Me parece bastante milagroso», dijo.
Y los teóricos de las cuerdas han descubierto más indicios de que están en una pista productiva en las últimas décadas, según Engelhardt. En pocas palabras, la idea del espacio en sí puede estar distrayendo a los físicos de una estructura más fundamental del universo.
Los teóricos descubrieron a finales de la década de 1990 que las descripciones de un universo simple, en forma de caja, que incluía la gravedad, eran matemáticamente equivalentes a una imagen de un universo plano con sólo física cuántica (y sin gravedad). La capacidad de saltar de una descripción a otra sugiere que el espacio podría no ser un ingrediente fundamental del cosmos, sino más bien un efecto secundario que surge de las interacciones de las partículas.
Por mucho que nos cueste imaginar a los mortales incrustados en el tejido del espacio, la relación entre el espacio y las partículas podría ser algo parecido a la que existe entre la temperatura ambiente y las moléculas de aire. Los físicos pensaban antes que el calor era un fluido que fluía de una habitación caliente a otra fría, pero el descubrimiento de las moléculas reveló que lo que percibimos como temperatura «surge» de la velocidad media de las moléculas de aire. El espacio (y, de forma equivalente, la gravedad) puede representar de forma similar nuestra experiencia a gran escala de algún fenómeno a pequeña escala. «Dentro de la teoría de cuerdas, hay muy buenos indicios en este momento de que el espacio es realmente emergente», dijo Engelhardt.
Pero el universo en caja de la teoría de cuerdas tiene una forma diferente a la que vemos (aunque Engelhardt dijo que esta diferencia puede no ser un factor de ruptura, ya que la gravedad cuántica podría actuar de la misma manera para todas las formas posibles del universo). Incluso si las lecciones del universo de cajas se aplican a la realidad, el marco matemático sigue siendo tosco. Los físicos están muy lejos de cortar sus lazos teóricos con el espacio y lograr una descripción precisa de la gravedad cuántica en toda su accidentada gloria.
Mientras siguen resolviendo los importantes problemas matemáticos de sus respectivas teorías, algunos físicos albergan la esperanza de que sus observaciones astrofísicas puedan algún día darles un empujón en la dirección correcta. Hasta la fecha, ningún experimento se ha desviado de las predicciones de la relatividad general, pero en el futuro, un conjunto diverso de detectores de ondas gravitacionales sensibles a muchos tamaños de onda podría captar los sutiles susurros de los gravitones. Sin embargo, Engelhardt dijo que «mi instinto sería mirar al cosmos en lugar de mirar a los colisionadores de partículas»
.