Per què la gravetat no és com les altres forces? Part 1/2

L’aaT us ofereix la següent traducció d’un article sobre els fonaments de la gravetat, de Quanta Magazine, una revista que us recomanem a tots els que esteu interessants en les qüestions més profundes de les lleis de la física que regulen el nostre Univers. Us l’oferim en dues parts, amb respostes de la física Claudia de Rham en aquesta primera part, i les dels físics Daniel Harlow, Juan Maldacena i Sera Cremonini a la segona.

Introducció

La física ha atribuït tres de les quatre forces fonamentals de la naturalesa a un origen en partícules quàntiques mediadores: la força electromagnètica, que explica tots els fenòmens elèctrics i magnètics inclosa la llum i tota la química que sorgeix de les interaccions entre els àtoms; la força nuclear forta que explica els nuclis atòmics i les reaccions nuclears; i la força nuclear feble que explica la desintegració de neutrons en protons i les partícules d’interacció ultra-feble anomenades neutrins. Però la quarta força fonamental, la gravetat, és diferent.

El nostre marc teòric per entendre la gravetat, concebut fa un segle per Albert Einstein, descriu les pomes que cauen dels arbres i els planetes que orbiten estels com a moviments al llarg d’unes trajectòries especials del continu de l’espai-temps. Aquestes corbes són les geodèsiques, els camins especials que segueixen els objectes en caiguda lliure guiats per la gravetat. Segons Einstein, la gravetat és una característica pròpia del medi de l’espai-temps, on s’hi expressen les altres forces de la naturalesa.

Però a prop d’un forat negre, o en els primers moments de l’Univers, les equacions d’Einstein fallen i ens cal atènyer una comprensió més profunda de la gravetat per poder descriure aquests extrems. Aquesta teoria més completa ha de fer les mateixes prediccions que la teoria d’Einstein en les condicions habituals que ja coneixem. Els físics creuen que en aquesta teoria més completa, la gravetat ha de tenir forma quàntica com les altres forces de la naturalesa. La teoria quàntica de la gravetat ha sigut cobejada des dels anys 1930, i s’han proposat diverses idees (en particular la teoria de cordes, que diu que la gravetat i totes les partícules i forces sorgeixen de vibracions de minúscules cordes) que romanen com a conjectures no prou ben compreses. Una teoria quàntica de la gravetat funcional és segurament l’objectiu més elevat de la física actual.

Què ho fa que la gravetat sigui tan especial? Què la fa tan diferent que dificulta trobar-ne l’estrat quàntic subjacent? Aquestes preguntes s’han fet a quatre investigadors en gravetat quàntica, i s’han obtingut quatre respostes diferents.

1- La gravetat engendra singularitats

Claudia de Rham, física teòrica a Imperial College London, ha treballat en teories de gravetat massiva que postulen que les partícules amb massa són unitats quantitzades de gravetat.

La teoria de la Relativitat General d’Einstein descriu correctament el comportament de la gravetat en un rang de 30 ordres de magnitud d’escala espacial, des de menys d’un mil·límetre fins a escales cosmològiques. Cap altra força fonamental no s’ha mesurat amb tanta precisió sobre una varietat tan gran d’escales. Tot i que, amb un acord tan impecable amb observacions i experiments, aquesta teoria podria semblar-nos la descripció final de la gravetat, en realitat destaca perquè prediu la seva pròpia fallida.

La relativitat general fa prediccions espectaculars sobre forats negres, i sobre el Gran Esclat com l’origen de l’Univers. Tot i això, les singularitats que hi apareixen on la curvatura de l’espai-temps esdevé aparentment infinita apunten a la fallida de la teoria. A mesura que ens acostem a la singularitat en el centre d’un forat negre o en el Gran Esclat, les prediccions de la relativitat general deixen d’aportar les respostes correctes. Una altra descripció de l’espai i el temps més fonamental hauria de substituir-la que podria permetre’ns assolir una nova comprensió del propi espai-temps.

Si la gravetat fos qualsevol altra força de la naturalesa, potser podríem investigar-la fins al fons amb experiments capaços d’assolir progressivament energies més altes i escales més petites. Però la gravetat no és una força ordinària; si l’empenys per poder destapar els seus secrets més enllà d’un cert punt, el teu aparell experimental acabarà col·lapsant en un forat negre.

(Crèdit / Font: Natalie Wolchover / quantamagazine.org)

https://www.quantamagazine.org/why-gravity-is-not-like-the-other-forces-20200615/

Articles relacionats:

Per què la gravetat no és com les altres forces? Part 2/2 – (10/juliol/2020)