Lo que necesitas para la gravedad cuántica es más experimentación.

Las matemáticas no resolverán el problema de la gravedad cuántica, solo los experimentos pueden hacerlo.

A mediados de la década de 1990, estudié matemáticas. No estaba completamente seguro de lo que quería hacer en la vida, pero me llamó la atención la capacidad de las matemáticas para describir el mundo natural. Después de las lecciones de geometría diferencial y álgebras de Lie, asistí a una serie de seminarios del Departamento de Matemáticas, que discutieron el mayor problema de la física fundamental: la cuantificación de la gravedad y la unificación de todas las fuerzas de la naturaleza bajo un paraguas teórico. Los talleres se realizaron en torno a un nuevo enfoque desarrollado por Abei Ashtekar de la Universidad de Pennsylvania. No me he encontrado con este estudio antes, y me fui con la impresión de que el problema se ha resuelto, y nadie más lo sabe todavía.

Todo esto parecía una victoria pura de una mente clara. Los requisitos de conectividad matemática condujeron, por ejemplo, al descubrimiento del bosón de Higgs. Sin él, el Modelo estándar para partículas que colisionan con energías superiores a 1 TeV dejaría de funcionar, y esas energías están disponibles en el Gran Colisionador de Hadrones. Las probabilidades no darían un total de 100% y perderían su significado matemático. Por lo tanto, al cruzar este límite de energía, debería haber aparecido algo nuevo. Higgs era la más simple de las posibilidades que podían encontrar los físicos, y naturalmente la encontraron.


Una estrella de neutrones de rápido movimiento PSR B1509-58 vive en esta nebulosa. Las estrellas de neutrones emiten pulsos regulares en el rango de radio, y pueden usarse para buscar efectos de gravedad cuántica.

En las décadas de 1920 y 1930, la discrepancia matemática entre la teoría especial de la relatividad de Einstein y la versión original de la mecánica cuántica condujo al surgimiento de la teoría del campo cuántico, en la que se basó el Modelo Estándar. La discrepancia matemática entre la teoría especial de la relatividad y la gravedad newtoniana ha llevado a la aparición de una teoría general de la relatividad, nuestra teoría de la gravedad más moderna. Ahora, los físicos tienen una discrepancia entre el Modelo Estándar y GR. Por supuesto, esperamos que la solución de este problema en forma de teoría cuántica de la gravedad se convierta en la misma interrupción de las cubiertas que en los casos anteriores.

Pero con el tiempo, aprendí sobre otros investigadores que utilizaron otros métodos y me convencí de que también estaban cerca de resolver el problema. Teoría de cuerdas, gravedad cuántica de bucles, triangulación dinámica causal, gravedad asintóticamente segura, conjuntos causales ... Los científicos que practicaron estos enfoques también confiaban en que podrían descifrar la naturaleza utilizando solo las matemáticas. Diferían no porque uno de ellos cometiera errores en las conclusiones matemáticas, sino porque partieron de premisas diferentes. Se necesitan las matemáticas para llevar a cabo una serie de conclusiones lógicas, pero ninguna conclusión matemática será mejor que sus premisas. La lógica no es suficiente para elegir entre teorías físicas. La única forma de descubrir qué teoría describe la naturaleza es realizar una prueba experimental.

Pero los físicos que trabajan en diferentes enfoques rara vez se comunicaban entre sí, y si se comunicaban, nunca estaban de acuerdo. Y por que En ausencia de evidencia experimental, no tenían razón para estar de acuerdo. Se acumularon las matemáticas, se crearon decenas de miles de artículos, se celebraron cientos de conferencias. Y ni un solo enfoque ha producido una solución inequívoca. Y a medida que las décadas pasaron sin éxito, surgieron dudas cada vez más sobre la búsqueda de la gravedad cuántica.



Es extraño, pero en los años 90 casi nadie intentó encontrar evidencia observable de la gravedad cuántica; se creía que esto era imposible. Los efectos de la gravedad cuántica son extremadamente débiles. Los físicos han estimado la probabilidad de detectar las presuntas partículas de gravedad (gravitones) y descubrieron que las posibilidades de esto son pequeñas incluso cuando se usan detectores del tamaño de Júpiter que orbita una estrella de neutrones. [Rothman, T. y Boughn, S., ¿Se pueden detectar los gravitones? Fundamentos de Física 36, ​​1801-1825 (2006)]

Pero, ¿es realmente necesario detectar gravitones directamente para encontrar evidencia de la gravedad cuántica? Esta pregunta no me dejó ir. A finales de los 90, cambié al estudio de la física. La mayoría de los físicos que trabajan con la gravedad cuántica todavía creen que sus matemáticas les abrirán el camino hacia el éxito. No lo creo Pero no tengo pesimismo sobre la inaccesibilidad experimental de la gravedad cuántica. Por el contrario, espero con cautela que incluso durante mi vida demostremos con éxito la cuantificación de la gravedad en un experimento.

Aquellos de nosotros que estamos buscando evidencia experimental de la gravedad cuántica nos enfrentamos a un problema de investigación único: ¡no tenemos teoría ni datos! Pero incluso en ausencia de una teoría generalmente aceptada de la gravedad cuántica, podemos investigar las propiedades básicas que se esperan de ella y que se encuentran en varias teorías candidatas.

Por ejemplo, algunas teorías indican discreción del espacio-tiempo. En este caso, puede tener defectos, como cristales, capaces de confundir la luz y difuminar imágenes de cuásares distantes. Algunas teorías creen que el espacio-tiempo es algún tipo de base o líquido, en cuyo caso incluso en el vacío uno podría encontrar propiedades del material, como la viscosidad o la dispersión. Algunas teorías predicen la ruptura de la simetría, respetada en la relatividad general; otros creen que las fluctuaciones cuánticas en el espacio-tiempo pueden perturbar los sistemas cuánticos sensibles. Todo esto se puede buscar.

Ya sabes que no encontramos nada; de lo contrario, habrías oído hablar de ello. Pero incluso la falta de resultados ayuda a desarrollar teorías. Tales casos nos enseñan que algunas ideas, por ejemplo, que el espacio-tiempo puede ser una red periódica, son simplemente incompatibles con las observaciones.

Por supuesto, sería mucho mejor obtener una confirmación real. En los últimos años, hemos podido encontrar varias oportunidades nuevas para acercarnos a la meta. Toma las ondas gravitacionales primarias. Estas pequeñas fluctuaciones del espacio-tiempo en el universo primitivo deberían haber dejado una huella distintiva en la radiación relicta. En 2014, el grupo conjunto BICEP2 anunció la medición de esta huella digital, y aunque estaban equivocados, esto no significa que las ondas no existan. Solo encontrarlos requerirá más esfuerzo. Y si los descubrimos, sus propiedades cuánticas nos ayudarán a desarrollar nuestro modelo. Lawrence Kraus de la Universidad de Arizona y Frank Wilchek del MIT argumentan que la detección de ondas gravitacionales primarias mostrará que la gravedad debe cuantificarse [Krauss, L. y Wilczek, F., usando la cosmología para establecer la cuantización de la gravedad. Physical Review D 89, 047501 (2014)]. Su argumento está demasiado simplificado, pero Vincent Vennin [Martin, J. & Vennin, V. La discordia cuántica de la inflación cósmica: ¿podemos demostrar que las anisotropías cmb son de origen mecánico-cuántico? Physical Review D 93, 023505 (2016)] y Eugene Bianchi [Bianchi, E., Hackl, L., y Yokomizo, N. Tiempo de enredo en el universo primordial. International Journal of Modern Physics D 24, 1544006 (2015)] participó independientemente en el análisis de datos CMB que pueden distinguir entre fluctuaciones cuánticas y no cuánticas.


Telescopio BICEP2 en el Polo Sur

Todavía hay agujeros negros. La física del agujero negro es uno de los temas principales en el estudio de la gravedad cuántica. Durante mucho tiempo se creyó que los efectos gravitacionales cuánticos serían notables solo más cerca del centro de los agujeros negros, ocultos detrás del horizonte que denota su límite y, por lo tanto, inconmensurables desde el exterior. Pero en los últimos años, esta creencia ha sido sacudida. Por ejemplo, de acuerdo con una suposición teórica, los agujeros negros están rodeados por cortafuegos , superficies de material que destruyen el material que cae en ellos. Aunque yo y algunos otros académicos hemos cuestionado este argumento [Hossenfelder, S. Desenredando el vacío del agujero negro. Physical Review D 91, 044015 (2015)], no es la única razón para suponer que los efectos de la gravedad cuántica pueden aparecer en el horizonte.

Y si aparecen, entonces el estudio de los agujeros negros puede revelarnos información sobre la gravedad cuántica. Michael Kavic, de la Universidad de Long Island, sugirió buscar sistemas binarios que consisten en una estrella de neutrones que orbita un agujero negro. Una estrella de neutrones emite ondas de radio, y si este rayo golpea el horizonte del agujero negro, el momento observado será cambiado por la estructura de este agujero [Estes, J., Kavic, M., Lippert, M., y Simonetti, JH, Luz brillante en la gravedad cuántica con pulsar -binarios de agujero negro. arXiv: 1607.00018 (2016)]. Otro enfoque de Niayesh Afshordi del Perimeter Institute es estudiar las ondas gravitacionales creadas por la fusión de los agujeros negros. Los efectos cuánticos pueden ocurrir cuando el agujero negro recién formado toma su forma final [Abedi, J., Dykaar, H. y Afshordi, N. Echoes from the Abyss: Evidencia de la estructura a escala de Planck en horizontes de agujeros negros. arXiv: 1612.00266 (2016)].

Pero la idea más prometedora surgió desde un ángulo inesperado. Si el campo gravitacional puede cuantificarse, debe tener ciertas características cuánticas, como una superposición en la que el sistema está simultáneamente en diferentes estados.

Tomemos un ejemplo básico de comportamiento cuántico: un experimento con dos rendijas. Si dirige un haz de electrones a una pantalla en la que se cortan dos ranuras, los electrones forman un cierto patrón de onda. Para su apariencia, cada electrón debe pasar a través de ambas ranuras simultáneamente; esta es una superposición de caminos. Pero el electrón tiene masa y afecta el campo gravitacional. Si un electrón está en una superposición cuántica, entonces su campo también debería estar en una superposición cuántica. Esta es una idea muy extraña. Si ocurre lo mismo con toda la Tierra, entonces una manzana que cae de un árbol experimentará dos campos gravitacionales diferentes y caerá en dos direcciones diferentes al mismo tiempo. Tales características son incompatibles con la mecánica cuántica y la relatividad general; La superposición de campos debe ser inherente a la gravedad cuántica.

Hasta ahora, nadie ha observado tales efectos, ya que el campo gravitacional de un electrón es demasiado débil para poder medirlo. En los últimos años, varios grupos experimentales han creado superposiciones para objetos mucho más masivos. La vanguardia científica actual está trabajando con la masa en nanogramos. Marcus Aspelmeyer y su grupo de Viena se embarcaron en un ambicioso proyecto para medir la atracción de masa gravitacional de 1 miligramo [Schmöle, J., Dragosits, M., Hepach, H., y Aspelmeyer, M. Un experimento micromecánico de prueba de principio para medir la fuerza gravitacional de masas de miligramo. Gravedad clásica y cuántica 33, 125031 (2016)]. El día no está lejos cuando podemos medir el campo gravitacional de los objetos cuánticos.

Mauro Paternostro está utilizando un enfoque similar con colegas de la Universidad de Queens en Belfast para determinar exactamente qué características deben distinguir un campo gravitacional cuantificado de uno no cuantificado [Krisnanda, T., Zuppardo, M., Paternostro, M., Tomasz Paterek, T. Revealing non -clasicidad de los objetos no medidos. arXiv: 1607.01140 (2016)]. Su enfoque está ligado a una propiedad cuántica típica, el enredo, en el que existe una correlación de las propiedades de diferentes objetos. Imagina dos objetos interactuando a través de la gravedad. Las correlaciones entre ellos dependerán de si este campo está cuantificado o no. En teoría, las correlaciones se pueden medir y cuantificar el campo.


Si tuviéramos gafas para observar ondas gravitacionales, la fusión de los agujeros negros habría sido más brillante que una explosión de supernova

El hecho de que la ciencia necesite la confirmación experimental de las ideas no puede llamarse noticia, pero el sueño de los filósofos antiguos de que el razonamiento solo puede desentrañar los secretos de la naturaleza, lamentablemente, vive entre los teóricos que trabajan en la gravedad cuántica. Como resultado, los ejercicios mentales, ya sean arbitrariamente complejos, se reducen a preferencias estéticas o filosóficas al elegir los requisitos previos. Una gran cantidad de literatura sobre la gravedad cuántica se dedica al entierro de estas premisas bajo montañas matemáticas.

Veinte años después de que escuché por primera vez sobre la gravedad cuántica, esta área todavía está dominada por científicos que confían en la secuencia matemática. Pero el número de quienes, como yo, están estudiando las posibilidades de verificación experimental de la gravedad cuántica está aumentando. Y cuanto más visible es el fracaso del método matemático, más claro es que el único camino a seguir es buscar evidencia experimental, independientemente de su complejidad. El primer paso es demostrar la cuantización de la gravedad. Y luego puedes comenzar todo el espectro de fenómenos gravitacionales. Así es como transferiremos la gravedad cuántica de las matemáticas a la física.

Y lo que se ha convertido en física puede convertirse en ingeniería. A diferencia de muchos de mis colegas, creo que comprender la cuantización de la gravedad puede ayudarnos en la práctica. Tal teoría no solo mejorará nuestra comprensión del espacio y el tiempo, sino también los sistemas cuánticos en general. Será un largo camino. Pero nos llevó 2000 años pasar de los cuatro elementos de Aristóteles a las cuatro fuerzas de la física. Entonces el viaje será largo.