Rodolfo Gambini - Gravedad cuántica de lazos para todos

Rodolfo Gambini obtuvo su doctorado en física en la Universidad de París. Se unió como profesor a la Universidad Simón Bolívar en Venezuela. Allí, junto a Antoni Trías inventó la representación de lazos para teorías de Yang-Mills y gravedad, pero sin usar las variables de Ashtekar, que no habían sido inventadas aún. Regresó a su Uruguay natal y se convirtió en profesor de la Universidad de la República. Fue uno de los fundadores de la Sociedad Uruguaya de Física y la Academia Nacional de Ciencias. Fue el primer presidente de ambas instituciones. Ha ocupado diversas posiciones en agencias de financiación científica. Recibió el Premio TWAS en física y numerosas distinciones en Uruguay, incluyendo la Medalla Presidencial de Ciencia en 2004 y en 2011 un Doctorado Honoris Causa de la Universidad de la República. Es miembro de la Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Argentina, de la Academia de Ciencias de América Latina, de la Academia Americana de Artes y Ciencias de EE. UU., y The World Academy of Sciences (TWAS).

Jorge Pullin obtuvo su doctorado en física en el Instituto Balseiro de Argentina. Ocupó posiciones postdoctorales en la Universidad de Syracuse en el Estado de Nueva York y la Universidad de Utah y fue profesor en la Universidad del Estado de Pensilvania. Desde el 2001 es el catedrático Horace Hearne Jr. en física teórica en la Universidad del Estado de Luisiana. Fue el editor fundador de la revista Physical Review X de la Asociación Física Americana y ha sido y es miembro de varios comités editoriales de revistas científicas. Recibió el Premio Edward Bouchet de la Asociación Física Americana. Es miembro de las Academias Nacionales de Ciencias de Argentina y México y de la Academia de Ciencias de América Latina.

Gambini y Pullin son coautores de 118 trabajos científicos y cuatro libros, publicados por Oxford University Press, Cambridge University Press, Imprint Academic, World Scientific, y versiones en castellano y japonés por Editorial Reverté y Maruzen Planet.

La Gravedad cuántica de lazos es una de las principales propuestas tendentes a unificar la teoría de la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica, proporcionando así una teoría cuántica de la gravedad. Si estas palabras no significan mucho para ti, no te preocupes, las definiremos en términos simples en los capítulos que siguen. La palabra en la que nos queremos concentrar aquí es «controversia». ¿Qué quiere decir esta palabra en el contexto de la ciencia? Quiere decir que vamos a estar discutiendo ciencia incompleta. No existe un consenso entre los físicos acerca de cómo «cuantizar» la gravedad. Existen propuestas, sí, pero son incompletas. No está claro si estas son consistentes y si predicen la física correctamente. Dos de las propuestas son seguidas por la mayoría de los físicos, son la teoría de cuerdas y la que discutiremos en este libro, la Gravedad cuántica de lazos. La cantidad de físicos que están involucrados en estos esfuerzos en el mundo es de cientos. Es difícil dar un número preciso porque algunos físicos trabajan intermitentemente en distintos temas, pero para dar una idea, ambos campos organizan conferencias mundiales cada cierto tiempo que atraen a más de 200 físicos cada una.

También tenemos que mencionar que, por el momento, no conocemos un solo fenómeno físico observable o experimento que requiera de una teoría cuántica de la gravedad para explicarlo. Esto genera la pregunta: ¿para qué preocuparse entonces? Hay dos razones. La primera es la necesidad de unidad y consistencia de la física. Sabemos que todas las otras interacciones (la electromagnética, la débil y la fuerte) requieren de la mecánica cuántica para describir correctamente la naturaleza. La razón de esto es que estas interacciones son importantes a nivel microscópico y sabemos que a ese nivel las cosas son de naturaleza cuántica. La gravedad es solo importante a nivel macroscópico, como en los objetos astronómicos, y ahí los efectos cuánticos son despreciables. La segunda razón es que no sabemos cómo acoplar consistentemente teorías clásicas y cuánticas. Como veremos, la mecánica cuántica tiene propiedades contraintuitivas. Una de ellas es que las cantidades físicas no tienen valores hasta que son medidas. No es que uno ignore los valores hasta que los mide, simplemente no existen. ¿Cómo puede uno acoplar tal tipo de teorías con una teoría clásica donde las cantidades físicas deben tener valores todo el tiempo?

Uno podría pensar que no tener experimentos o fenómenos que explicar deberían hacer muy fácil construir teorías de la gravedad cuántica. Después de todo uno no tiene por qué estar limitado por experimentos que pudieran descartar las teorías propuestas. Sin embargo, esto ha resultado ser algo muy difícil de hacer. La razón es que, como veremos, la teoría de la relatividad general de Einstein describe a la gravedad no en términos de una fuerza como las de las otras interacciones, sino como una deformación del espacio-tiempo. Esto hace a la gravedad muy diferente de las otras tres interacciones. Por esto no sorprende que presente desafíos únicos cuando se la intenta cuantizar y, la experiencia previa cuantizando las otras tres interacciones no ayuda necesariamente.

En este libro comenzaremos intentando presentar una descripción auto-contenida de los intentos hechos por la Gravedad cuántica de lazos para cuantizar la gravedad. En el capítulo dos introduciremos la teoría de la relatividad general de Einstein. En el tres introduciremos la mecánica cuántica. En el capítulo cuatro presentaremos a la Gravedad cuántica de lazos. Los capítulos 5 y 6 serán sobre aplicaciones, en cosmología y agujeros negros. En el capítulo 7 discutiremos las Espumas de Espín. El capítulo 8 habla de posibles consecuencias observacionales. Y, por último, en el capítulo 9 llegaremos a la conclusión, e incluiremos una discusión de las controversias que rodean a la teoría.

En este capítulo hablaremos de la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero para dar un poco de contexto, demos un paso hacia atrás y hablemos de las otras interacciones fundamentales que existen en la naturaleza. La interacción más conocida es la electromagnética.

En el siglo XIX, James Clerk Maxwell unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, en la que, además, predijo la existencia de ondas electromagnéticas. Ejemplos de interacciones electromagnéticas son la fuerza que mantiene unido un imán a la puerta de un refrigerador o las fuerzas electrostáticas que hacen que un film adherente se pegue a un contenedor en la cocina. La existencia de las ondas electromagnéticas fue verificada unos pocos años después de la predicción de Maxwell, y, otros pocos años después, Marconi las usaba para transmitir radio a través del Atlántico.

Así, el electromagnetismo tiene muchas aplicaciones prácticas. También se reconoció que la luz es una onda electromagnética y, como consecuencia, la teoría explicaba también los fenómenos ópticos. Esta es pues, indudablemente, una teoría muy exitosa.

Figura 2.1: Las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles y sus roles en los átomos. (Crédito: Ng Kah Fee).

Las otras interacciones son la débil y la fuerte. Estas no tienen efectos visibles en la vida cotidiana. La interacción fuerte es responsable de que las partículas que componen los núcleos atómicos se mantengan juntas. Los núcleos están formados por protones y neutrones. Los protones tienen carga eléctrica positiva y por ende se repelen entre sí. La interacción fuerte contrarresta esa repulsión. La interacción débil es responsable del decaimiento radiactivo de átomos, no se manifiesta en la vida cotidiana, pero es muy importante en astrofísica, en particular en la producción de los elementos que componen la materia.