
¿Por qué son incompatibles la relatividad general y la mecánica cuántica?
Espuma cuántica es el término utilizado por los físicos para describir la violenta actividad del mundo cuántico. Cuando se combinan todas las características de la mecánica cuántica -como las funciones de onda, la probabilidad y la incertidumbre- se obtiene una interacción bastante activa entre las fuerzas y las partículas. También se puede considerar como una sopa cuántica que burbujea alegremente.
La electrodinámica cuántica, o QED, es la teoría que describe el modo en que las partículas cargadas eléctricamente interactúan entre sí y con los campos magnéticos mediante el intercambio de fotones. También conocida como teoría cuántica relativista de campos, es cuántica porque incluye todas las características cuánticas como la probabilidad y la incertidumbre; es una teoría de campos porque incluye las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell; y es relativista porque incorpora los conceptos de espacio y tiempo de la teoría especial de la relatividad.
Antes de continuar, creo que es una buena idea presentar claramente el problema de la unificación. ¿Cuál es el principal obstáculo para unificar las cuatro fuerzas y todas las partículas elementales? Bueno, recordemos que lo que los físicos han estado tratando de lograr es la unificación del microcosmos y el macrocosmos. Estas dos áreas de la cosmología están representadas respectivamente por la mecánica cuántica y la relatividad general. En el caso de la mecánica cuántica, tenemos un mundo que funciona con incertidumbre, probabilidad y complementariedad. Si pudiéramos observar este minúsculo universo a través de un microscopio, veríamos ondulaciones cuánticas aleatorias parecidas a una tormenta en el océano Atlántico Norte. Y si lleváramos esto al espacio exterior, al suave campo gravitatorio de un planeta, ya no tendríamos la suave deformación del espacio-tiempo descrita por la geometría espacial de la relatividad general. A este nivel microscópico, el campo gravitatorio estaría deformado por la energía frenética de la espuma cuántica. Así pues, esta incompatibilidad fundamental de la mecánica cuántica y la relatividad general no se produce en el nivel de la vida cotidiana, ni siquiera en la inmensidad del universo, sino en el nivel más fundamental, donde tienen su existencia los elementos constitutivos de la materia.
¿Cuál es el conflicto entre la teoría cuántica y la relatividad?
En física teórica, el problema del tiempo es un conflicto conceptual entre la relatividad general y la mecánica cuántica, ya que ésta considera el flujo del tiempo como universal y absoluto, mientras que la relatividad general lo considera maleable y relativo.
¿La física cuántica refuta la relatividad?
La mecánica cuántica es incompatible con la relatividad general porque en la teoría cuántica de campos las fuerzas actúan localmente mediante el intercambio de cuantos bien definidos.
Gravedad cuántica frente a relatividad general
La teoría que Pan y su equipo pusieron a prueba era que las partículas se descorrelacionarían entre sí al atravesar regiones gravitatorias distintas de la Tierra. Las diferentes atracciones gravitatorias forzarían una interacción cuántica que se comportaría como lo haría el relativismo clásico: la partícula en menor gravedad se movería con menos restricciones que la que se encontrara en gravedad más fuerte.
“Si observáramos la desviación, significaría que el formalismo de sucesos es correcto y que debemos revisar sustancialmente nuestra comprensión de la interacción entre la teoría cuántica y la teoría de la gravedad”, afirma Pan. “Sin embargo, en nuestro experimento descartamos la versión fuerte del formalismo de sucesos, pero hay otras versiones que probar”.
Los investigadores no vieron que las partículas se desviaran de las interacciones esperadas predichas por la comprensión cuántica de la gravedad, pero planean probar una versión de su teoría que permita un poco más de flexibilidad.
¿Cómo unifica la teoría de cuerdas la mecánica cuántica y la relatividad general?
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Los dos mayores logros de la física moderna -la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein- comparten un grave problema: no se ponen de acuerdo. Como resultado, los físicos se encuentran en la incómoda situación de intentar explicar el universo utilizando dos teorías que no son capaces de explicarse o explicarse la una a la otra.
De hecho, estos dos marcos teóricos difieren no sólo en sus abstrusas matemáticas, sino en la forma básica en que ven el mundo. En palabras de Space.com, la relatividad general considera el universo fundamentalmente liso y curvo. Lo que parecen bordes afilados no son más que zonas de cambio más rápido, como notas musicales grabadas en cinta o vinilo antiguo.
En cambio, la mecánica cuántica considera el universo esencialmente irregular y con bordes afilados, como una grabación musical digital. Incluso las transiciones que parecen suaves, si se examinan de cerca, se resuelven en una serie de cambios diminutos pero abruptos.
Teoría del todo
A pesar de los intensos esfuerzos desplegados en los últimos años, en la actualidad no está nada claro cómo será una teoría coherente de la gravedad cuántica ni cuáles serán sus principales características. Ante estas incertidumbres, la mejor estrategia parece ser la diversificación y la interdisciplinariedad. Por esta razón, el departamento pretende representar todos los grandes enfoques actuales de la gravedad cuántica, en particular la supergravedad y la teoría de cuerdas y sus desarrollos modernos, así como la cuantización canónica (por ejemplo, la gravedad cuántica de bucles) y los modelos discretos de gravedad cuántica.
Los enfoques canónicos de la gravedad cuántica hacen hincapié en los aspectos geométricos y parecen muy adecuados para tratar cuestiones conceptuales no resueltas de la gravedad cuántica, como por ejemplo el problema del tiempo o la interpretación de la función de onda del universo. En la última década se han obtenido nuevos e importantes conocimientos en el marco de la gravedad cuántica de bucles, cuyas variantes modernas (gravedad de espuma de espín y teoría de campo de grupos) se encuentran entre las principales líneas de investigación del departamento. Este enfoque, que complementa y amplía el antiguo enfoque de la geometrodinámica, emplea un marco no-perturbativo e independiente del fondo que permite (al menos en principio) describir las fluctuaciones de la propia geometría y conduce a una estructura discreta a escala de Planck. Sobre esta base, ahora es posible estudiar la dinámica cuántica completa de la gravedad y del propio espacio-tiempo. Más recientemente, estos conceptos se han aplicado con éxito al estudio de las singularidades cosmológicas y de los agujeros negros, donde se rompe la relatividad general clásica. De este modo, tal vez sea posible comprender cómo se “disuelve” la singularidad del Big Bang de la relatividad clásica en la cosmología cuántica.