A finales del siglo XX, un grupo de físicos teóricos desarrolló una teoría que describe el espacio-tiempo como un fenómeno cuántico. Junto con la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles intenta reconciliar la mecánica cuántica con la gravedad.
En la física moderna, hay dos teorías que describen con increíble precisión los fenómenos a gran escala y lo que sucede en el microcosmos: la relatividad general y el modelo estándar de mecánica cuántica, respectivamente. Pero por muy precisas y sorprendentes que sean estas dos teorías, no funcionan bien entre sí.
El propio Albert Einstein, autor de la Teoría General de la Relatividad, estuvo ocupado hasta el final de su vida trabajando en una teoría que combinaría la mecánica cuántica y la gravedad. Como saben, no salió nada de eso. Muchos físicos teóricos modernos, desde Sean Carroll hasta Brian Green, creen que el desarrollo de una teoría comprobable, falsable y demostrable de la gravedad cuántica abrirá nuevos horizontes para la ciencia y ayudará a responder muchas preguntas: por ejemplo, ¿qué sucede más allá del horizonte de sucesos de los agujeros negros?
Entre los muchos enfoques de la gravedad cuántica, la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles se consideran los más exitosos. Si se conoce y se habla de la teoría de cuerdas, entonces su principal competidor, la gravedad cuántica de bucles, aún no ha recibido tanta publicidad.
La gravedad cuántica de bucles es una teoría que intenta expresar la teoría moderna de la gravedad (es decir, la relatividad general, GR) en un formato cuantificado. El enfoque de esta teoría es percibir el espacio-tiempo como algo dividido en partes discretas. Muchos científicos consideran la gravedad cuántica de bucles como la más desarrollada orgánicamente, aparte de la teoría de cuerdas.
Como surgió la gravedad cuántica de bucles
Generalmente se cree que la gravedad cuántica de bucles tiene su origen en 1986, cuando Abei Ashtekar desarrolló una formulación cuántica de las ecuaciones de campo de la relatividad general. En 1988, los físicos Lee Smolin y Carlo Rovelli ampliaron este enfoque, y en 1990 demostraron que cuantifica la gravedad, y esto se puede ver utilizando las redes giratorias de Roger Penrose.
En resumen: el enfoque de la red de espín para la gravedad cuántica de bucles muestra el espacio-tiempo como una colección de piezas conectadas entre sí. Esto se puede considerar como puntos (o nodos) que representan partes del espacio-tiempo conectadas por líneas. En otras palabras, el espacio-tiempo puede verse como una red de nodos cuánticos. La estructura suave del espacio-tiempo, descrita por la relatividad general, se vuelve tal cuando se "aleja" de las escalas cuánticas a escalas suficientemente grandes.
A qué conduce la gravedad cuántica de bucle
Como ocurre con toda la física teórica que investiga esta cuestión, la física y las matemáticas en este nivel son increíblemente complejas. Existe mucha controversia sobre el valor de la gravedad cuántica de bucles, especialmente cuando se compara con otros enfoques como la teoría de cuerdas.
La gravedad cuántica de bucle ha tenido éxito en lo siguiente:
1. Cuantificación de la geometría espacial tridimensional de la relatividad general;
2. Capacidad para calcular la entropía de los agujeros negros;
3. Predecir el gran rebote en el momento del Big Bang en lugar de una singularidad infinita.
Sin embargo, hasta el momento se trata de avances en el campo de la física matemática, ya que aún no han sido confirmados experimentalmente. Y en el caso del Big Bounce, la confirmación experimental está fuera de discusión.
La predicción asociada con la entropía de los agujeros negros se considera el mayor logro de la teoría. Se cree que la gravedad cuántica de bucle proporciona una forma precisa de describir los estados cuánticos de un agujero negro, y también coincide con las predicciones sobre la entropía de los agujeros negros hechas por Stephen Hawking y otros físicos en la década de 1970.
Existe un fuerte argumento a favor de la gravedad cuántica de bucles. El hecho es que sus partidarios la consideran la teoría fundamental. En otras palabras, la teoría de la gravedad cuántica de bucles en sí misma no admite infinitos. Uno de sus principales investigadores, Lee Smolin, en su libro Trouble with Physics describe la finitud de la teoría en tres puntos:
• Las áreas y los volúmenes en la gravedad cuántica de bucles son siempre unidades discretas finitas;
• En el modelo de gravedad cuántica de bucle de Barrett-Kerin (espacio-tiempo como espuma cuántica), las probabilidades de desarrollo de la gravedad cuántica en diferentes historias son siempre finitas;
• La inclusión de la gravedad en la teoría de la gravedad cuántica de bucles con una teoría de la materia, como el modelo estándar, no contiene expresiones infinitas. Si excluye la gravedad, debe trabajar duro para evitarlos.
Problemas de la gravedad cuántica de bucles
Muchas de las desventajas de la gravedad cuántica de bucles son las mismas que las de la teoría de cuerdas. Sus predicciones se asocian con mayor frecuencia con fenómenos que aún no se pueden probar (aunque, en términos de gravedad cuántica de bucles, la posibilidad de experimentarla experimentalmente parece algo más probable que en el caso de la teoría de cuerdas).
Además, no está claro si se puede argumentar que la gravedad cuántica de bucles es más falsable que la teoría de cuerdas. Por ejemplo, el descubrimiento de la supersimetría o las dimensiones adicionales no refutará la gravedad cuántica de bucles, al igual que su ausencia no probará la falacia de la teoría de cuerdas.
El mayor problema con la gravedad cuántica de bucles es que esta teoría aún tiene que mostrar cómo se puede tomar el espacio cuantificado y extraer un espacio-tiempo suave de él. Además, algunos críticos de la teoría consideran que la forma misma de agregar tiempo a la red de espines es artificial.
La teoría cuántica del espacio-tiempo en la gravedad cuántica de bucle es esencialmente una teoría cuántica del espacio. La red de espín descrita por la teoría no puede incluir el tiempo.
Algunos científicos que trabajan en esta teoría, como Lee Smolin, creen que el tiempo se convertirá eventualmente en un componente necesario y fundamental de la teoría. Al mismo tiempo, Carlo Rovelli confía en que eventualmente demostrará que el tiempo como tal no existe y que, de hecho, es un fenómeno emergente.
Queda ser paciente y esperar
Varios físicos teóricos, incluidos Brian Green y Lee Smolin, han sugerido que la gravedad cuántica de bucles y la teoría de cuerdas resultarán ser dos formas de describir la misma estructura física fundamental. Los científicos esperan que el estudio de estas dos áreas eventualmente ayude a desarrollar una teoría fundamental más completa que describa la teoría cuántica subyacente, que, a su vez, conducirá a una teoría de campo unificada exitosa que pueda reconciliar completamente la relatividad general con el modelo estándar de mecánica cuántica..