Una nueva ecuación une relatividad y física cuántica por primera vez

La relatividad general de Einstein, que describe la gravedad a escala cósmica, y la mecánica cuántica, que gobierna el extraño mundo de las partículas subatómicas, son dos maneras aparentemente irreconciliables de describir el funcionamiento del universo. Estas dos teorías son los pilares de la física moderna y ambas se han visto confirmadas con mediciones y experimentos. Pero su incompatibilidad matemática ha sido un desafío insalvable para los científicos, incluyendo el propio Albert Einstein, que murió buscando una solución a la contradicción entre los dos modelos: la famosa (y fallida) teoría unificada. Ahora un equipo de investigadores afirma haber encontrado una nueva ecuación matemática que une los dos mundos.

"Hasta la fecha, no se ha propuesto ninguna teoría globalmente aceptada que explique todas las observaciones físicas", dicen los investigadores en un artículo publicado en la revista Astroparticle Physics. El equipo asegura que su nueva ecuación puede cuestionar los fundamentos de la física actual y cambiar nuestra comprensión del universo.

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Jesús Díaz

Cómo funciona

Los investigadores han propuesto un nuevo marco matemático que fusiona ideas tanto de la física cuántica como de la relatividad general. Para conseguirlo han replanteado la geometría del espacio y el tiempo utilizando dos conceptos: la curvatura (que viene de la relatividad general) y la energía (que está relacionada con los campos cuánticos). Además, usan una escala clave en la física llamada la escala de Planck, la escala de longitud más pequeña que puede ser concebida dentro de nuestro universo.

La curvatura del espacio-tiempo es una forma de describir cómo la gravedad afecta al universo. En lugar de ser una fuerza que atrae objetos entre sí, como proponía Newton, Einstein pensaba que la gravedad de los objetos masivos, como planetas o estrellas, deforman y curvan el espacio y el tiempo a su alrededor, creando una especie de hundimiento del tejido del espacio-tiempo.

Los investigadores han creado una nueva ecuación donde la curvatura del espacio-tiempo interactúa con los campos de energía de la teoría cuántica. Cuando se reduce la curvatura, su ecuación empieza a parecerse a las que describen cómo se comportan partículas como los electrones en los minúsculos campos cuánticos.

"La ecuación obtenida es covariante en el espacio-tiempo e invariante con respecto a cualquier escala de Planck. Por tanto, las constantes del universo pueden reducirse a solo dos cantidades: la longitud de Planck y el tiempo de Planck", aseguran los investigadores.

Las conclusiones del equipo basadas en estos cálculos son significativas, ya que aseguran que han "demostrado que la ecuación de campo de Einstein de la relatividad general es en realidad una ecuación mecánica cuántica relativista", una idea sorprendente que sugiere que las dos teorías principales están más conectadas de lo que creemos.

Clave para entender la energía oscura…

El trabajo es un paso potencialmente clave para alcanzar el santo grial de la física, una teoría unificada capaz de resolver la mecánica cuántica y la relatividad general al mismo tiempo. Empleando esta ecuación, los científicos podrían obtener pronto nuevos conocimientos sobre la naturaleza fundamental de la realidad y la solución a una serie de misterios cosmológicos que los atormentan desde hace tiempo.

Uno de esos misterios es la energía oscura propuesta por Einstein en 1917. Según la teoría general de la relatividad, esta fuerza teórica está presente en la estructura del espacio-tiempo, aunque no interacciona con la luz y, por tanto, es invisible para nuestros telescopios. Sin embargo, Einstein se dio cuenta de que debía existir una fuerza que impidiera que el universo colapsara sobre sí mismo, lo que finalmente le llevó a formular la constante cosmológica llamada lambda.

El equipo ha aplicado el formalismo lambda de Einstein a su nueva modelización del universo y sus resultados apuntan a que la dinámica del cosmos probablemente se asemeja a sistemas que repiten su movimiento oscilando como un péndulo. Estos osciladores armónicos están entrelazados con la curvatura del espacio-tiempo, lo que significa que sus estados están conectados, incluso si están muy separados.

Los autores sugieren que este entrelazamiento del espacio-tiempo permitiría que la luz en un universo diferente pudiera transferirse a nuestro universo. También puede darse una posible transferencia de información a través de la luz, un concepto conocido como la hipótesis ER=EPR (una conexión entre los agujeros de gusano y el entrelazamiento cuántico).

… y los agujeros negros

La nueva ecuación del equipo también arroja luz sobre nuestra comprensión de los agujeros negros. Los autores aseguran que pueden evitarse las singularidades asociadas a la intensa gravedad de estos objetos espaciales, es decir, los puntos donde las leyes de la física se rompen. Esto sugiere que el espacio y el tiempo dejan de comportarse de manera normal antes de llegar a una singularidad y no alcanzan ese punto problemático en la escala de Planck.

El modelo matemático de los investigadores también puede predecir el fondo de ondas gravitacionales con unos resultados que se ajustan a los datos obtenidos por las investigaciones actuales. Lo que puede allanar el camino hacia nuevas formas de explorar la estructura y la evolución del universo.