El misterioso gravitón y su papel en la física cuántica

La gravedad sigue siendo un enigma para la física teórica, pero parece que únicamente el gravitón, una partícula hipotética no detectada, podría dar solución a esa problemática.

Gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil. Seguro que esos cuatro términos te suenan: son las fuerzas fundamentales que gobiernan el Universo en el que habitamos. Sin embargo, de todas ellas, probablemente la gravedad es la más familiar para todos nosotros, responsable de mantener nuestros pies en el suelo y los planetas del Sistema Solar en órbita alrededor del Sol.

Podrías pensar que una fuerza tan común y cercana no es ningún misterio, pero te estarías equivocando: la gravedad sigue siendo un enigma para la física teórica y parece que únicamente el gravitón, una partícula hipotética no detectada, podría dar solución a esa problemática.

EL ESLABÓN PERDIDO

Definir la gravedad siempre ha sido un gran reto. Desde la primera teoría de Newton hasta la moderna curvatura del espacio-tiempo de Einstein, el concepto ha ido variando mucho a lo largo de la historia. No obstante, muchos físicos afirman que la única solución a esa multi-conceptualidad es aportar una explicación desde un punto de vista cuántico. Así, desde la segunda mitad del siglo XX, una gran parte de la comunidad científica apostó por encontrar una teoría que uniese todas aquellas explicaciones cuánticas del mundo microscópico con la física clásica que explica los comportamientos de “lo más grande”: una teoría del todo.

Sin embargo, la gravedad es el eslabón que compromete esa hipótesis, pues es la única de las cuatro fuerzas elementales que no cuenta con una partícula especializada que la trasporte – la fuerza electromagnética es transportada por fotones y las nuclear débil y fuerte por bosones. Para paliar este gran inconveniente, los científicos han intentado incorporar una de esas partículas para el caso de la gravedad, el gravitón. Pero, hasta el momento, su integración en los modelos matemáticos actuales y su implementación como una partícula análoga al fotón o a los bosones ha sido un completo desastre.

¿QUÉ ES EL GRAVITÓN?

En caso de existir, se espera que el gravitón sea una partícula sin masa con la capacidad de propagarse a la velocidad de la luz.  A todo ello, debe sumarse que también se identificaría como una partícula neutra en cuanto a carga que se acoplaría de una forma extremadamente débil con otras partículas, lo que provocaría que su detección directa sea un desafío monumental. Además, la teoría cuántica de la gravitación requiere que el gravitón se comporte de forma similar al fotón pero al contrario que en el electromagnetismo: aquí los gravitones podrían interactuar con ellos, mientras que los fotones realmente no tienen esa capacidad.

Estos requerimientos tan específicos han provocado que, hasta día de hoy, los intentos de crear una teoría cuántica simple de la gravedad hayan fracasado. No obstante, para resolver este problema, una buena parte de la comunidad científica opta por defender una teoría que pondría fin al dilema y reuniría a toda la física bajo un único concepto: la teoría de cuerdas. Esta postularía que las partículas subatómicas, como electrones y quarks, no serían entidades puntuales, sino cuerdas que vibran en el espacio a diferentes frecuencias. Cada una se distinguiría de la otra por su vibración - los electrones oscilarían a una frecuencia distinta que los fotones o los quarks – y, consecuentemente, una de esas frecuencias de vibración correspondería al gravitón.

DESAFÍOS Y PREGUNTAS ABIERTAS

A pesar de todo, su existencia sigue siendo una potencial hipótesis que, en caso de ser cierta, podría llegar a ofrecer nuevas perspectivas sobre la naturaleza de la gravedad y sobre su unificación con las otras fuerzas fundamentales. Por ejemplo, desde un punto de vista astrofísico y cosmológico, el estudio del gravitón podría ayudar a comprender fenómenos como las ondas gravitacionales, la materia oscura y la energía oscura, abriendo nuevas vías para explorar el Universo a gran escala.

Además, el gravitón también podría tener aplicaciones tecnológicas potenciales. Aunque su detección sigue siendo un gran desafío, el desarrollo de nuevas tecnologías y métodos experimentales podría abrir la puerta a técnicas innovadoras para estudiar y aprovechar la gravedad a escala cuántica. Este hecho podría llegar a revolucionar campos como la ingeniería espacial o la detección remota, aunque es todo un gran supuesto.

Ahora bien, no hay que olvidar que, a pesar de los avances o las perspectivas prometedoras, aún quedan numerosas preguntas abiertas y grandes desafíos en torno al gravitón. Su naturaleza exacta, su relación con la gravedad cuántica o su papel en la unificación de las fuerzas fundamentales siguen siendo temas activos en la investigación y, al menos por un futuro cercano, parece que lo seguirán siendo.

¿Cómo explica la teoría de cuerdas el fenómeno de la gravedad?

Para resolver el problema de “la teoría del todo” y dar una explicación cuántica a la gravedad, se han propuesto a lo largo de los últimos años diferentes teorías, pero hay una de ellas que se eleva sobre el resto: la teoría de cuerdas.

A veces parece que la ciencia tiene las respuestas a todos los fenómenos que ocurren en nuestro planeta y en el Universo. Sin embargo, esto no es así y, a día de hoy, siguen existiendo muchas intrigas que mantienen a los científicos de diversos sectores en vilo. Una de ellas, y quizás la que supone el mayor desafío actual para la física, es la de explicar el fenómeno de la gravedad.

Y es que, se trata de un concepto que ha ido variando mucho a lo largo de la historia: desde la primera teoría de Newton hasta la moderna curvatura del espacio-tiempo. Aun así, para muchos físicos esto no es suficiente, pues ven necesaria una explicación de la gravedad desde un punto de vista cuántico.

Una gran parte de la comunidad científica apuesta entonces por encontrar una teoría que una las explicaciones cuánticas del mundo microscópico con la física clásica que explica los comportamientos de “lo más grande”: una teoría del todo. Sin embargo, la gravedad es el eslabón que compromete ese formato, pues es la única de las cuatro fuerzas elementales -electromagnética, débil, fuerte y gravitatoria-  que no cuenta con una partícula especializada que la transporte (por ejemplo, la fuerza electromagnética es transportada por fotones). Para paliar este inconveniente, los científicos han intentado incorporar una de esas partículas para el caso de la gravedad, el gravitón, pero su integración en los modelos matemáticos es un completo desastre.

Para resolver este problema de “la teoría del todo”, la unión del mundo microscópico y macroscópico y dar una explicación cuántica a la gravedad, se han propuesto a lo largo de los últimos años diferentes teorías, pero hay una de ellas que se eleva sobre el resto y que ha llamado la atención a toda la comunidad científica: la teoría de cuerdas. Planteada a en la segunda mitad del siglo XX, se trata de un modelo innovador y diferente a todo lo anterior que pondría fin al dilema y reuniría toda la física bajo una única idea.

¿QUÉ ES LA TEORÍA DE CUERDAS?

Así, la teoría de cuerdas propone que las partículas subatómicas, es decir, los electrones, fotones, quarks… no serían puntuales, sino que se comportarían como cuerdas que vibran en el espacio. Afirma que esas cuerdas vibrarían en diferentes frecuencias y, en función de en cual lo haga, se podrá identificar la cuerda con una u otra partícula.

Es decir, las partículas tal y como las conocemos, como pelotitas o puntos pequeños que se desplazan por el espacio, dejarían de existir. En vez de eso, dichos elementos tendrían la forma de filamentos o cuerdas muy pequeñas (de tan solo 10-35 metros) que vibrarían de una forma determinada en cada caso. Según esa vibración, las cuerdas darían lugar a diferentes estructuras y se identificarían con cada una de esas partículas. Y aquí está lo interesante, pues los defensores de la teoría de cuerdas afirman que una de esas frecuencias de vibración se identificaría con el famoso gravitón.

Sin embargo, para poder aplicar esta teoría, debe plantearse un Universo distinto al que conocemos actualmente, pues las cuerdas no se moverían en el espacio-tiempo habitual. Y es que, para que las cuerdas tengan sentido, es necesario que existan más dimensiones de las que estamos acostumbrados. De hecho, la teoría de cuerdas precisa de, mínimo, 10 dimensiones para poder desarrollarse: las cuatro a las que estamos acostumbrados (una de tiempo y las tres espaciales) y seis dimensiones compactas, las cuales no son observables en la práctica.

Para entender un poco esto, podemos imaginar una cuerda, la cual es bidimensional, pues solo tiene un largo y un ancho. A medida que nos acercamos a ella y la aumentamos, esta adquirirá cada vez más grosor y profundidad y, si acercamos mucho nuestro ojo, podremos llegar a apreciar su estructura y otras características más específicas y no visibles a simple vista. Pues bien, esta serie de características compactadas serían una analogía de esas dimensiones adicionales de las que habla la teoría de cuerdas.

ORIGEN DE LA TEORÍA

Esta fascinante y compleja teoría fue desarrollada por los físicos Joël Scherk y John Henry Schwarz en el año 1974 con el objetivo de mostrar cómo un modelo con objetos unidimensionales o “cuerdas”, en lugar de partículas puntuales, podía llegar a describir la fuerza gravitatoria. Sin embargo, su teoría fue cuestionada y no tuvo mucho apoyo hasta el año 1984, cuando comenzó un periodo conocido como primera revolución de supercuerdas, donde se hicieron múltiples investigaciones en torno a la teoría, llegando a la conclusión de que podía explicar las múltiples interacciones entre las partículas fundamentales sin problema. Fue un momento donde la teoría ganó muchos seguidores y múltiples científicos comenzaron a apoyarla.

En ese primer momento, la teoría se apoyaba en dos ideas fundamentales: los objetos básicos de la teoría no serían partículas puntuales, sino objetos unidimensionales extendidos, y el entorno donde se moverían esos objetos no sería un espacio-tiempo de cuatro dimensiones ordinario, sino que necesitarían de, al menos, 10 dimensiones para existir.

Con el paso del tiempo, la teoría fue ganando protagonismo en el entorno científico, por lo que se comenzó a estudiar e investigar sobre ella de forma paralela en diferentes laboratorios del mundo. Como resultado, actualmente existen cinco teorías de cuerdas diferentes: la teoría de tipo I, la de Tipo IIA, la de Tipo IIB, la Heterótica-O y la Heterótica-E. Y, aunque pueda parecer desconcertante que existan tantos modelos simultáneos, todo apunta a que, en realidad, todas forman parte de la misma teoría de cuerdas, solo que aplicada cada una a un caso extremo de la misma.

CONTROVERSIA

Cierto es que, aunque según sus defensores la teoría de cuerdas podría ser la pieza que falta para unir toda la física en una única “teoría del todo”, se trata de un modelo que todavía no se ha podido demostrar, pues no ha servido por ahora para realizar predicciones acordes a los datos experimentales. Aun así, parece que a día de hoy es la mejor candidata para lograr esa teoría unificada pues, a diferencia del resto, permite en un solo paquete respetar la teoría cuántica y la relativista, explicando a su vez el resto de interacciones fundamentales de la naturaleza a través de esas pequeñas cuerdas vibrantes.

Uno de los problemas que presentaría la teoría que podría explicar por qué no ha sido demostrada todavía, es que se piensa que el modelo no es falsable. En ciencia, para afirmar que algo es cierto, primero debe intentar demostrarse que es falso de todas las formas posibles y, si se vuelve algo imposible y no se encuentra ninguna forma de falsarse, entonces se puede afirmar que es cierto. Sin embargo, parece ser que no hay ninguna forma de intentar demostrar que la teoría no es cierta, lo cual la convierte en un modelo no científico y, por el momento, deja abierta dos únicas posibilidades: o es del todo correcta, o es del todo errónea.

5 claves para entender la Teoría de la Relatividad

Aunque esta teoría pueda resultar difícil de comprender, es posible simplificarla en una serie de puntos que la hacen accesible a cualquiera.

En noviembre de 1915, Albert Einstein vivía uno de los momentos estelares de su carrera como científico, presentando su famosa Teoría de la Relatividad ante la Academia Prusiana de Ciencias, en Berlín. Cuatro años más tarde, el 29 de mayo de 1919, la ciencia del siglo XX alcanzaba su punto culminante con la confirmación de esta teoría.

Sin embargo, sus artículos iniciales, donde incorporaba los primeros pensamientos relativistas al mundo de la ciencia, datan aún de 1905, publicados cuando el físico tenía tan solo 26 años. Y si pudieses tener una copia de esos textos en tus manos ahora mismo, te sorprenderías por la facilidad de su lectura. El texto es sencillo y las ecuaciones no superan la complicación que pueden suponer unos cuantos problemas de álgebra matemática. 

Esto es debido a que Einstein tenía una forma de pensar muy visual, con un método que consistía en plantear pequeños problemas mentales e irlos solucionando en su mente, plasmando así las ideas de forma más clara. Un ejemplo de este proceso de desarrollo es su famosa paradoja de los gemelos.

En su totalidad, Einstein elaboró dos teorías: la de Relatividad General, ligada al campo gravitatorio y a los sistemas de referencia, y la de Relatividad Especial, más relacionada con la física del movimiento en función del espacio-tiempo. Como conjunto, su trabajo cambió por completo la visión del Universo y de muchos fenómenos y conceptos como son el tiempo, el espacio y la gravedad.

Así, aunque pueda resultar difícil de comprender y asuste un poco enfrentarse a ella, es posible simplificarla en una serie de puntos clave que recogen sus resultados y la hacen accesible a cualquiera que lo desee. Te presentamos, por tanto, los cinco puntos imprescindibles para entender, por fin, la Teoría de la Relatividad.

LA VELOCIDAD DE LA LUZ ES ABSOLUTA

Uno de los puntos clave de la Teoría de la Relatividad estipula que la luz se propaga siempre a 300.000 km/s independientemente del sistema de referencia desde el cual observemos. ¿Qué significa esto exactamente? Einstein lo ilustra con uno de sus juegos mentales de manera muy sencilla. 

Plantea a una persona a bordo de un tren que se mueve a 100 km/h. Paralelo, se desplaza otro individuo en otro tren en la misma dirección, pero este a 90 km/h. Así, para el observador del segundo tren, el primero se mueve tan solo a 10 km/h, y no a 100 km/h, que sería lo que observaría si, de repente, su tren se parase. Es decir, la velocidad con la que ve el primer tren depende de si su sistema de referencia está parado o en movimiento. Pues bien, con la luz esto no se cumple.

Einstein afirma que, independientemente desde donde mires, estés o no en movimiento, siempre apreciarás la luz moviéndose a la misma velocidad: a 300.000 km/s. Aplicado a su propio juego, tendríamos que tanto la persona del primer tren como el segundo vería la luz desplazándose a la misma velocidad. Así, la Teoría de la Relatividad pone a la luz como un invariable, es decir, una cantidad siempre constante.

EL TIEMPO ES RELATIVO

Otro de los principales resultados de esta teoría es que el tiempo, al contrario que la velocidad de la luz, no es absoluto y dependerá del movimiento de los observadores. Es decir, puede que dos acontecimientos que parecen simultáneos desde la perspectiva de alguien, no lo sean desde la perspectiva de otra persona. Y lo más curioso de todo esto es que ambos estarían en lo cierto.

Para entenderlo, Einstein recupera el ejemplo mental de los trenes. Esta vez supone a un primer individuo parado junto a las vías cuando pasa un tren. Entonces, justo cuando el vagón central está en frente de él, un rayo alcanza el primer y último vagón. Como él se encuentra a una distancia media de ambos sucesos, su luz llega al ojo al mismo tiempo y puede afirmar, sin equivocarse, que los dos rayos han impactado al mismo tiempo.

Ahora bien, para otra persona sentada en ese mismo vagón central, dentro del tren, las cosas serían muy diferentes, pero igualmente verídicas. Y es que, desde su perspectiva, los rayos también viajarían la misma distancia pero, debido al movimiento relativo del tren, la luz que procede del rayo en la cola alcanzaría más tarde al observador. Por lo tanto, esta persona dirá, sin equivocarse tampoco, que los rayos impactaron en momentos diferentes.

Esta idea es muy poco intuitiva, pues se trata de un razonamiento aparentemente contradictorio, pero no lo es. Otro ejemplo muy útil de esta apreciación relativa del paso del tiempo es la paradoja de los gemelos, algo más complicada, pero igual de curiosa.

EL TIEMPO Y EL ESPACIO NO SON INDEPENDIENTES

Entre otros conceptos, la Teoría de la Relatividad destaca que es importante redefinir los conceptos de espacio y de tiempo, pues no son términos independientes, sino que se combinan en uno solo conocido como espacio-tiempo. Es algo así como si ambos conceptos fuesen compañeros inseparables: lo que le ocurre a uno, le afectará al otro.

Esta afirmación fue, para Einstein, una clara consecuencia de la relatividad del tiempo: si un suceso, como el del rayo que impacta en el tren, ocurre en un tiempo diferente dependiendo de la posición en la que se encuentre cada persona, ambos conceptos deben estar unidos. De esta forma, ninguno de los dos puede tratarse de forma independiente a la otra.

En palabras del propio físico: “Secundo a Minkowski en que, de ahora en adelante, el espacio y el tiempo por separado están destinados a desvanecerse entre las sombras y solo una unión de ambos puede ser parte de la realidad”.

LA MASA ES EQUIVALENTE A LA ENERGÍA

¿Conoces la famosa ecuación E=mc2? Pues es, probablemente, el resultado más popular de la Teoría de la Relatividad. Además, científicamente supuso todo un hito pues, con esa sencilla y elegante ecuación, Einstein consiguió reunir dos conclusiones asombrosas.

En primer lugar, afirma que la energía y la masa están relacionadas y que pueden llegar a ser, prácticamente, equivalentes. Como ejemplo ilustrativo, el físico pide que te imagines un objeto que emite dos pulsos de luz en direcciones opuestas. Como cada pulso transporta una determinada cantidad de energía, la propia energía del objeto disminuye, pues la cede a esos pulsos. Pues bien, Einstein determinó mediante fórmulas algebraicas que, para que esto fuera coherente, el objeto también tendría que perder masa. Es decir, energía y masa estarían directamente relacionadas.

Por otro lado, de forma más profunda, en esa ecuación se encuentra la clave que explica otro resultado de gran importancia: por qué es imposible que un objeto moviéndose alcance la velocidad de la luz. Y es que, según la ecuación, si esto ocurriese, la masa del objeto debería ser infinita, lo cual requeriría, según lo anterior, una energía infinita, algo que es imposible. Por lo tanto, queda estipulado que solamente objetos sin masa o, mejor dicho, ondas con masa cero podrán alcanzar velocidades similares a la de la luz.

LA GRAVEDAD ES, SIMPLEMENTE, UNA DEFORMACIÓN

Si ya toda esta teoría se basa en conceptos poco intuitivos y, casi, surrealistas, la concepción y definición de la gravedad que hace Einstein como punto de cierre de la Teoría de la Relatividad parece sacada de uno de los relatos de Kafka. Y es que, plantea que el espacio-tiempo no es plano, sino que se deforma por los objetos situados en él.

Así, imagínate una gran tela sostenida en el aire y estirada en horizontal. Si tiramos una pelota pequeña sobre ella, se hundirá tan solo un poco. Ahora bien, si depositamos algo más lejos una pelota mucho más grande, curvará mucho más la tela, de forma que la pelota más pequeña se moverá hacia ella debido a la inclinación en la tela que ha causado la segunda. Pues bien, eso es lo que, según Einstein, sucede en el Universo. Nosotros o los objetos que manejamos seríamos esas pequeñas pelotas que casi no curvan la tela, mientras que, por ejemplo, la Tierra, sería esa gran bola, que deforma enormemente la tela y nos atrae hacia ella.

Einstein cerró así la Teoría de la Relatividad, con la afirmación de que la gravedad no era una fuerza, si no una consecuencia de la curvatura del plano del espacio-tiempo y dejando sobre la mesa unos de los resultados más importantes de la física de todo el Siglo XX y, probablemente, marcando con ellos la ciencia en el XXI.

La teoría de la relatividad de Einstein permite conocer la masa de una estrella enana blanca

El Hubble ha observado el fenómeno de deformación gravitacional causado por una estrella de fuera del Sistema Solar, la enana blanca Stein 2051B

Curvatura de la luz

Ilustración que muestra cómo la gravedad de una enana blanca deforma el espacio y curva la luz de una estrella distante que hay detrás. El telescopio espacial Hubble captó imágenes de la enana blanca Stein 2051B mientras pasaba por delante de una estrella distante. Stein 2015B desvió la luz de la estrella durante la alineación, de tal modo que aparecía desplazada unos 2 miliarcosegundos de su posición real.

Estrellas distantes

Esta imagen, del telescopio espacial Hubble, resulta engañosa: la enana blanca Stein 2051B y la estrella pequeña que hay detrás no son vecinas cercanas; la primera se encuentra a 17 años luz de la Tierra y la segunda a unos 5.000 años luz de distancia.

Stein 2 

La teoría general de la relatividad, presentada por Albert Einstein en 1915, describe cómo deforman el espacio los objetos masivos, debido a los efectos de la gravedad. La teoría de Einstein fue verificada experimentalmente en 1919 por el astrónomo británico Arthur Eddington: durante un eclipse solar observó cómo la gravedad del Sol desviaba o curvaba la luz de una estrella de fondo. Las estrellas de fondo, que se observaban alrededor del Sol, debían de aparecer un poco desplazadas de su posición real debido al campo gravitatorio solar, que curvaba la luz de las mismas.

Un siglo después, el telescopio espacial Hubble ha podido presenciar este fenómeno de deformación gravitacional, causado esta vez por una estrella de fuera del Sistema Solar, según reveló la semana pasada el Space Telescope Science Institute de la NASA. El Hubble ha observado a la estrella enana blanca Stein 2051B mientras pasaba por delante de una estrella de fondo: Stein 2015B desvió la luz de la estrella durante la alineación, de tal modo que aparecía desplazada unos 2 miliarcosegundos de su posición real.

La medición de esta desviación ha permitido conocer la masa de la enana blanca: tiene aproximadamente el 68% de la masa solar. Esta técnica constituye un nuevo método para determinar la masa de una estrella y aporta información sobre su estructura y composición.

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