No tan difícil de explicar #2: Por qué no entendemos completamente la gravedad.

Esta es la segunda parte de mi serie de posts donde intento explicar conceptos difíciles en una manera que cualquiera pueda entender, yo mismo incluido. Aquí esta la primera parte donde hablo sobre la luz.

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La gravedad cuántica (no te preocupes, muy pronto te explico qué es eso), no puede ser tan difícil, ¿o sí? Osea, tenemos las otras fuerzas, el electromagnetismo, la nuclear fuerte y la nuclear débil, todas cuantificadas y sin molestar a nadie. Seguramente la gravedad, la más conocida de las fuerzas, sería un pequeño y agradable postre para envolver nuestra cena cuántica. ¿Cierto?

Bueno, comencemos este post con un ejemplo: un electrón y un fotón se encuentran en un bar. ¿Qué ocurre? Específicamente, ¿qué sucede en una descripción de física completamente cuántica del evento? ¿Rebotan? ¿Pueden los fotones incluso "rebotar"? ¿Cómo se intercambia energía e impulso? ¿Fotón-kun se enamorara o odiara a Electrón-senpai?

Ignorando mis claros gustos por la cultura asiática, los fotones se pueden crear o destruir a voluntad. Es tan fácil que ni siquiera lo piensas. Mueve el interruptor, y billones de fotones comienzan a salir de la bombilla, experimentando brevemente todas las alegrías y libertades que la vida puede traer, solo para desaparecer tan pronto como golpean la pared de tu cuarto y son absorbidos por sus átomos. Descorazonado e indiferente, continúas con tu día como si nada. Monstruo.

Y dado que la materia y la energía son dos caras de la misma moneda, así como el espacio y el tiempo se relacionan bajo un solo marco, si la energía puede crearse o destruirse, también lo puede hacer la masa. Puedes crear fotones y puedes crear electrones. ¿Quieres un un panda de mascota? ¡Poof! Como si fueras un mago podría aparecer de la nada... Lo triste es que no podrías acariciarlo, si aparece, desaparecerá de inmediato. Robar energía del vacío para que exista por un ratito es lo máximo que puedes forzar tu imaginación.

Pero si ya tienes algo (por ejemplo, un fotón comprimido), puede convertirse en un electrón y un positrón sin siquiera darse cuenta. Y esas partículas pueden volver a convertirse en un fotón si les da la gana. En serio, es así de fácil. La materia y la energía son realmente lo mismo, y pueden cambiar de forma tan fácilmente como cambias tus zapatos.

Por supuesto, hay reglas y limitaciones, pero un verdadero mago nunca revela sus secretos. Huehuehue... Desafortunadamente para mi, no soy un mago, la carta del famoso colegio no llego. Afortunadamente para ti, no puedo guardar secretos o sino este post no llegara a ningún lado.

Así es como esto funciona: Por un lado, tienes la antigua vista del mundo de 1800, la imagen "clásica" de la física. Esta imagen está pintada en colores continuos, por ejemplo, campos electromagnéticos que se mecen y ondulan elegantemente sin problemas.

Pero la imagen cuántica de la realidad es completamente diferente, tan diferente, de hecho, que le dieron a su imagen un nuevo nombre: cuántica. Lo llamaron mecánica cuántica. Está en el nombre, así que pensé que sería obvio... no importa. En lugar de ser suave y continuo, el mundo cuántico es irregular y de bordes puntiagudos. Cuando se trata de campos electromagnéticos, la reconciliación entre la vieja física y la nueva es algo como una milf y esa vecina que se acaba de mudar, algo que solo puede resultar en algo bueno pero complicado de lograr. En el caso de nuestro problema, la respuesta es un campo electromagnético cuántico.

¿Pero qué demonios significa eso?

Pues, significa que hay un campo electromagnético que empapa el espacio-tiempo como... mojar una papa frita en helado. La papa frita es el espacio tiempo y el helado es el campo electromagnético.

Ese campo electromagnético puede agitarse y, a veces, una parte puede ganar un poco más de energía y salir volando, ¡un fotón! ¡Un bocado de la metafórica papa frita es un fotón! Y podemos crear o destruir fotones agregando o eliminando energía de una parte del campo electromagnético. Esto lleva el concepto clásico hasta la era moderna.

Y aquí está el plot twist: hay un campo electromagnético con fotones, y hay un campo de electrones con electrones. ¡Son lo mismo! Un campo de electrones impregna el espacio-tiempo como sumergir una papa frita en salta de tomate. Tu papa frita ahora esta empapada de helado y... salsa de tomate... puede que no haya elegido la mejor metáfora. El punto es que agregas un poco de energía al campo electromagnético y sacas algunos fotones. Agregas un poco de energía al campo de electrones y sacas algunos electrones. Así como los fotones son niveles de energía específicos de un campo, los electrones son niveles específicos de energía de otro campo. Es todo lo mismo, y explica cómo puedes crear y destruir electrones a voluntad: todo lo que se necesita es agregar o eliminar energía del campo.

Ahora, podemos volver a nuestro problema original: ¿qué sucede cuando un fotón y un electrón chocan? Bueno, es difícil. No es una pelea de 1v1. A medida que el electrón y el fotón se mueven, ocasionalmente pueden desaparecer, reaparecer e incluso transformarse entre sí (tan fácilmente como un campo transfiere energía al otro). Entonces debes comenzar a sumar todas las colisiones posibles: electrón regular más fotón; electrón más dos fotones; electrón más electrón más positrón. Una y otra vez.

Pero cuando comienzas a sumar todas estas correcciones y adiciones, encuentras problemas. Hay un número infinito de posibles combinaciones de interacciones. Infinito. Cuando surgen infinitos, no puedes progresar, no puedes hacer predicciones, no puedes hacer "ciencia".

Afortunadamente hace algunas décadas, unos físicos brillantes como Richard Feynman descubrieron algunos trucos. A través de una inteligente manipulación, podían empaquetar todos los términos matemáticos que iban hasta el infinito en solo unos pocos términos. Todavía eran infinitos, pero no en tantos lugares en las ecuaciones. Entonces, hicieron una identificación muy inteligente. Esos términos particulares representaban cosas que ya sabíamos, como la masa de un electrón. Simplemente colocaron la masa de electrones conocida experimentalmente en ese lugar, ¡y todo bien!

Está bien, esta teoría de fantasía no puede predecir todo, pero a través de este proceso de "limpiar" los infinitos, podemos progresar y aprender cosas nuevas. Parece sospechoso, pero funciona. Este es el mundo de la teoría cuántica de campos.

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¿Qué tiene que ver esto con la gravedad?

Uno de los muchos problemas es que la gravedad no es realmente una fuerza como las otras fuerzas, ella es un copo de nieve especial y único. La gravedad tiene que ver con el espacio-tiempo, y el espacio-tiempo es el escenario en el que todas las partículas montan su show.

En el mundo normal, esa etapa permanece fija e inmóvil durante toda la eternidad, lo que nos permite enfocarnos en toda la trivialidad de la interacción. Pero la relatividad general nos dice que el escenario también está..vivo. Se dobla y se deforma bajo la influencia de los actores, y esa curvatura y deformación redirige los movimientos de los mismos. Y cuando miramos hacia atrás en nuestra interacción básica de fotones de electrones bajo una imagen de campo cuántico, pues se pone difícil. Tenemos que tener en cuenta no solo todas las combinaciones posibles de fotones y electrones que interactúan, sino también todas las configuraciones posibles de espacio-tiempo.

Las infinidades son demasiado para manejar. No pueden encontrar formas inteligentes de "empaquetarlos", tampoco pueden olvidarse de ellos y pretender que no existen y no pueden "parchearlos" con medidas conocidas. La matemática es muy complicada. Simplemente hay demasiadas configuraciones posibles tanto de las interacciones como del espacio-tiempo. No podemos hacer los cálculos lo suficientemente simples como para resolverlos; los modelos matemáticos pierden su poder predictivo.

Hay ideas ingeniosas, como la gravedad cuántica de bucles y la teoría de cuerdas, pero ninguno de estos ha tenido mucho avance teórico en las últimas décadas, y ambos adolecen de una grave falta de predicciones comprobables. Simplemente no hay mucha evidencia para guiar nuestros modelos y nuestros aceleradores de partículas carecen del poder necesario para sondear la física a estas escalas.

Es por eso que los lugares como los agujeros negros y el universo joven son tan llamativos para los físicos teóricos: son lugares donde la gravedad es pequeña y fuerte, y al estudiar esos escenarios, con suerte pueden tener una idea de cómo tratar correctamente con la gravedad. Mientras tanto, sin embargo, solo podemos encogernos de hombros.

Es posible que hayas oído hablar del gravitón, la "partícula" que transporta la gravedad. Pero ese concepto proviene de tratar de que los físicos se queden con la vecina nueva. Y sabemos que simplemente no funciona, al menos no todavía.

Hasta nuevo aviso, simplemente no hay una cosa real que se pueda señalar y decir: "¡Mira ese Graviton!".

¿Cuál es la conclusión final? Sabemos que vivimos en un mundo cuántico, pero no podemos encontrar una manera de describir la gravedad sin maldecir. Y eso es infinitamente molesto.

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Fuentes:

• Google
• Gravedad Cuántica
• Greatest Mysteries: What Causes Gravity?
• Turning Light into Matter May Soon Be Possible
• Einstein's Theory of General Relativity
• Gran colisionador de hadrones
• Modelo estándar de la física de partículas
• Teoría cuántica de campos

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