Este año se cumple el centenario de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, su obra maestra, que describe la gravedad como la curvatura del espacio y el tiempo. Sin embargo, como suele ocurrir en la ciencia, las ideas de Einstein han planteado a los físicos tantas preguntas como respuestas han proporcionado.
Encontrar soluciones que satisfagan las ecuaciones de Einstein —espaciotiempos que describen la curvatura de nuestro universo— es difícil, por lo que su teoría tardó en ser aceptada. Los científicos que realizaron los primeros estudios y las primeras pruebas cruciales tuvieron que recurrir a aproximaciones. Se necesitaron décadas para desarrollar técnicas que permitieran clasificar y derivar nuevas soluciones. Hoy, sin embargo, se conocen muchas soluciones y es posible explorar otros problemas espinosos, como el campo gravitatorio de dos estrellas en colisión, utilizando computadoras para realizar los cálculos numéricos.
La teoría de Einstein no solo describe nuestro universo, desde el Big Bang hasta los agujeros negros; también ha enseñado a los físicos la importancia de la geometría y la simetría, lecciones que se extendieron desde la física de partículas hasta la cristalografía. Pero, pese a las similitudes entre la teoría de Einstein y otras teorías de la física, se distingue por su negativa a encajar con la mecánica cuántica, la teoría que explica el comportamiento dominante de la materia a escala atómica y subatómica.
Según la teoría de Einstein, la gravedad, a diferencia de todas las demás fuerzas físicas conocidas por el ser humano, no está cuantizada. No está sujeta al célebre principio de incertidumbre de Heisenberg. El campo electromagnético de una partícula que atraviesa una doble rendija puede pasar por ambas rendijas a la vez. Su equivalente gravitatorio no puede. Esta discrepancia entre nuestra comprensión de la gravedad y las teorías cuánticas de la materia plantea un enorme enigma a los físicos teóricos, porque conduce a contradicciones matemáticas.
Está claro que aún desconocemos algo sobre la combinación de la teoría cuántica y la gravedad, y nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la materia depende de desentrañar esta conexión. Encontrar una descripción de la gravedad compatible con nuestra comprensión de la física cuántica revolucionaría la cosmología, aportaría nuevos conocimientos sobre los primeros instantes de nuestro universo y permitiría comprender más profundamente las teorías en las que se basa toda la física moderna. Sin embargo, pese al enorme impacto potencial de tal avance y a los esfuerzos de generaciones de físicos por lograrlo, todavía no sabemos cuál es la teoría correcta.
Contrariamente a lo que quizá se siente al intentar levantarse de la cama por la mañana, la gravedad es, con mucho, la más débil de todas las fuerzas fundamentales que hemos identificado. Basta la repulsión estática de unos pocos electrones para que se te erice el cabello, venciendo la atracción gravitatoria de todo el planeta. En el mundo atómico y subatómico, la gravedad es irrelevante en comparación con los demás fenómenos, que pueden describirse mediante teorías cuánticas.
La debilidad de la gravedad dificulta mucho medir sus efectos cuánticos; por eso, no contamos con datos experimentales que guíen a los físicos teóricos en el desarrollo de la teoría que falta. Detectar un «gravitón» —la hipotética partícula que compone parte de un campo gravitatorio— requeriría un colisionador de partículas del tamaño de la Vía Láctea o un detector con una masa equivalente a la del planeta Júpiter. Estos experimentos están tan lejos de nuestras capacidades tecnológicas que los físicos se han centrado primero en intentar eliminar las contradicciones matemáticas, desarrollando enfoques como la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y la gravedad asintóticamente segura. Pero para saber qué teoría describe la realidad física, tarde o temprano habrá que desarrollar pruebas experimentales.
Por eso, durante la última década, los físicos han empezado a buscar indicios indirectos de la gravedad cuántica. En lugar de intentar detectar un cuanto del campo gravitatorio, los investigadores buscan otros efectos que implicarían que la gravedad está cuantizada. Estas pruebas funcionan de manera muy similar a las que utilizan la estabilidad de los átomos como indicio indirecto de la cuantización de la fuerza electromagnética. Por ejemplo, algunos científicos buscan pruebas de fluctuaciones cuánticas del espaciotiempo que podrían difuminar imágenes de estrellas lejanas o provocar distorsiones sistemáticas. Otros buscan violaciones de ciertas simetrías que podrían permitir desintegraciones de partículas normalmente prohibidas, ruido inexplicado en detectores de ondas gravitacionales o una pérdida inexplicable de coherencia cuántica.
Hasta ahora, estos intentos no han logrado detectar las pruebas buscadas. No obstante, han propiciado avances importantes, porque los resultados negativos han descartado algunas hipótesis plausibles. Y aunque los investigadores quizá no hayan encontrado resultados que respalden una teoría en particular, han hecho avanzar la ciencia al definir mejor los criterios de observación que cualquier teoría cuántica de la gravedad tendrá que tener en cuenta.
Al conmemorar el logro de Einstein, también debemos aprovechar la ocasión para celebrar el espíritu incansable de quienes siguen adelante e intentan responder las preguntas que nos dejó su teoría. Esa búsqueda ha dado lugar a campos de investigación extraordinariamente fructíferos, como la cosmología, la relatividad general numérica y la gravedad cuántica. La relatividad general nos ha dado agujeros de gusano, agujeros negros en evaporación y la teoría del Big Bang; subyace al descubrimiento de que el universo se expande y de que los llamados exoplanetas son mucho más comunes de lo que nadie pensaba; y ha redefinido por completo nuestra manera de concebir nuestro propio lugar en el universo, hasta poner en duda si este es el único universo.
Ninguno de estos avances habría sido posible si los investigadores hubieran trabajado conforme a los planes trienales que caracterizan gran parte del ámbito académico actual. Así que quizá este año sea un buen momento para reconocer a los visionarios que han comprendido que el progreso sostenible depende del desarrollo de teorías nuevas y mejores, cuyo impacto quizá no se comprenda plenamente durante décadas y que, de hecho, pueden seguir ramificándose 100 años después.
Este artículo se publica en colaboración con Project Syndicate. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autora: Sabine Hossenfelder es profesora asistente en el Instituto Nórdico de Física Teórica, en Estocolmo, Suecia.
Imagen: El cúmulo de galaxias SDSS J1038+4849 aparece en esta imagen sin fecha, distribuida por cortesía y tomada con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA. Los cúmulos de galaxias son las estructuras más masivas del universo y ejercen una atracción gravitatoria tan poderosa que deforman el espaciotiempo que los rodea y actúan como lentes cósmicas capaces de ampliar, distorsionar y curvar la luz que hay detrás de ellos. Este fenómeno, crucial para muchos de los descubrimientos del Hubble, puede explicarse mediante la teoría general de la relatividad de Einstein. REUTERS/NASA/imagen distribuida por cortesía vía Reuters
