Traducido por el equipo de Sott.net

¿Cómo se puede unificar la teoría de la gravedad de Einstein con la mecánica cuántica? Este reto podría darnos una visión profunda de fenómenos como los agujeros negros y el nacimiento del universo.
Quantum Mechanics
© Chalmers University of Technology
La descripción mecánica cuántica de los agujeros negros aún está en pañales, pero implica unas matemáticas avanzadas espectaculares.
Ahora, un nuevo artículo publicado en Nature Communications, escrito por investigadores de la Universidad Tecnológica Chalmers (CTH) Suecia, y del MIT (EE.UU.), presenta resultados que arrojan nueva luz sobre importantes retos para entender la gravedad cuántica.

Uno de los grandes retos de la física teórica moderna es encontrar una "teoría unificada" que pueda describir todas las leyes de la naturaleza en un único marco, conectando la teoría general de la relatividad de Einstein, que describe el universo a gran escala, y la mecánica cuántica, que describe nuestro mundo a nivel atómico. Esta teoría de la "gravedad cuántica" incluiría una descripción macroscópica y microscópica de la naturaleza.

"Nos esforzamos por comprender las leyes de la naturaleza y el lenguaje en el que éstas están escritas son las matemáticas. Cuando buscamos respuestas a las preguntas de la física, a menudo nos llevan a nuevos descubrimientos también en las matemáticas. Esta interacción es especialmente destacada en la búsqueda de la gravedad cuántica, donde es extremadamente difícil realizar experimentos", explica Daniel Persson, profesor del Departamento de Ciencias Matemáticas de la Universidad Tecnológica de Chalmers.

Un ejemplo de fenómeno que requiere este tipo de descripción unificada son los agujeros negros. Un agujero negro se forma cuando una estrella suficientemente pesada se expande y colapsa bajo su propia fuerza gravitatoria, de modo que toda su masa se concentra en un volumen extremadamente pequeño. La descripción mecánica cuántica de los agujeros negros está aún en pañales, pero implica unas matemáticas avanzadas espectaculares.

Un modelo simplificado de gravedad cuántica

"El reto es describir cómo surge la gravedad como un fenómeno 'emergente'. Al igual que los fenómenos cotidianos -como el flujo de un líquido- surgen de los movimientos caóticos de las gotas individuales, queremos describir cómo la gravedad surge de un sistema mecánico cuántico a nivel microscópico", afirma Robert Berman, profesor del Departamento de Ciencias Matemáticas de la Universidad Tecnológica de Chalmers.

En un artículo publicado recientemente en la revista Nature Communications, Daniel Persson y Robert Berman, junto con Tristan Collins, del MIT (Estados Unidos), mostraron cómo la gravedad surge de un sistema mecánico cuántico especial, en un modelo simplificado para la gravedad cuántica llamado "principio holográfico".

"Utilizando técnicas de las matemáticas que he investigado antes, conseguimos formular una explicación de cómo surge la gravedad por el principio holográfico, de forma más precisa de lo que se había hecho hasta ahora", explica Robert Berman.

Ondas de energía oscura

El nuevo artículo también puede ofrecer una nueva visión de la misteriosa energía oscura. En la teoría general de la relatividad de Einstein, la gravedad se describe como un fenómeno geométrico. Al igual que una cama recién hecha se curva bajo el peso de una persona, los objetos pesados pueden doblar la forma geométrica del universo. Pero según la teoría de Einstein, incluso el espacio vacío -el "estado de vacío" del universo- tiene una rica estructura geométrica. Si pudiéramos acercarnos y observar este vacío a nivel microscópico, veríamos fluctuaciones u ondulaciones mecánicas cuánticas, conocidas como energía oscura. Es esta misteriosa forma de energía la que, desde una perspectiva más amplia, es responsable de la expansión acelerada del universo.

Este nuevo trabajo puede conducir a nuevos conocimientos sobre cómo y por qué surgen estas ondulaciones mecánicas cuánticas microscópicas, así como sobre la relación entre la teoría de la gravedad de Einstein y la mecánica cuántica, algo que ha eludido a los científicos durante décadas.

"Estos resultados abren la posibilidad de probar otros aspectos del principio holográfico, como la descripción microscópica de los agujeros negros. También esperamos poder utilizar estas nuevas conexiones en el futuro para abrir nuevos caminos en las matemáticas", afirma Daniel Persson.

El artículo científico, Emergent Sasaki-Einstein geometry and AdS/CFT, se publica en Nature Communications y está escrito por Robert Berman, Tristan Collins y Daniel Persson, de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (Estados Unidos).