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

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.

2- La gravetat t’emmena cap els forats negres

Daniel Harlow, un teòric en gravetat quàntica al Massachusetts Institute of Technology, és conegut per l’aplicació de la teoria d’informació quàntica a l’estudi de la gravetat i els forats negres.

Els forats negres, que són el que dificulta combinar la gravetat amb la mecànica quàntica, només poden ser conseqüència de la gravetat perquè la gravetat és l’única força que afecta totes les formes de matèria o energia. Si hi hagués alguna cosa que no sentís la gravetat, podríem fer-la servir per enviar un missatge des de l’interior d’un forat negre, i per tant ja no seria negre. Això implica una limitació als experiments que podem fer: qualsevol aparell que construïm, tant se val de què estigui fet, no pot ser excessivament massiu perquè si no col·lapsaria a un forat negre. Aquest límit no és important en les nostres condicions habituals, però esdevé essencial si intentem construir un experiment per mesurar les propietats quàntiques de la gravetat.

La nostra comprensió de les altres forces de la natura es basa en el principi de localitat, que diu que les variables o graus de llibertat que descriuen què passa a cada punt de l’espai, tals com el camp electromagnètic, poden variar totes de forma independent i només poden influenciar el seu veïnatge immediat. La localitat és important per la descripció actual de les partícules i interaccions perquè preserva les relacions de causa-efecte: si els graus de llibertat que tenim aquí a Terrassa poden dependre instantàniament dels graus de llibertat a, posem per cas, l’illa de Nova Guinea, podríem fer servir aquesta dependència per atènyer comunicació instantània entre dues ciutats, o inclús per enviar informació enrere en el temps, abocant-nos a violacions de la causalitat.

La hipòtesi de la localitat ha sigut minuciosament comprovada en condicions habituals, i sembla lògic que s’estengui fins a distàncies molt curtes rellevants per la gravetat quàntica (aquestes distàncies són molt curtes atesa l’extrema feblesa de la gravetat comparat amb altres forces). Per confirmar la persistència de la localitat a aquestes distàncies, hem de construir un aparell capaç de posar a prova la independència dels graus de llibertat a escales tan petites. Però aleshores un càlcul simple mostra que un aparell prou massiu per evitar fluctuacions quàntiques en la seva posició que impedirien el propòsit de l’experiment no podria evitar el col·lapse a un forat negre! Això impossibilita qualsevol experiment per comprovar la localitat a aquestes escales, i ens diu que no hi ha cap necessitat que la gravetat quàntica respecti la localitat a aquestes escales.

Efectivament, l’actual comprensió dels forats negres suggereix que qualsevulla que sigui la teoria de la gravetat quàntica, hauria de tenir bastant menys graus de llibertat que els que esperaríem segons la nostra experiència amb altres forces. Aquesta idea es reflecteix en el “principi hologràfic”, que en una primera pinzellada, ens diu que el número de graus de llibertat en una regió espacial és proporcional a la seva àrea en comptes del seu volum.

3- La gravetat crea coses del no res

Juan Maldacena, un teòric de gravetat quàntica a l’Institute for Advanced Study a Princeton, Nova Jersey, és cèlebre pel seu descobriment d’una relació hologràfica entre gravetat i mecànica quàntica.

Les partícules poden exhibir fenòmens molt sorprenents i interessants: creació espontània de partícules, entrellaçament entre estats de partícules molt allunyades, i partícules amb una superposició d’existència en diverses ubicacions.

En gravetat quàntica, el propi espai-temps es comporta de noves formes. En comptes de creació de partícules, tenim creació d’universos. Es creu que l’entrellaçament crea connexions entre regions distants de l’espai-temps. Tenim superposicions d’universos amb geometries de l’espai-temps diferents. A més, des de la perspectiva de física de partícules, l’espai buit és un objecte complex. Ens imaginem els anomenats camps superimposats uns amb els altres i estenent-se arreu de l’espai, amb els seus valors fluctuant constantment a distàncies curtes. D’aquests camps fluctuants i les seves interaccions n’emergeix l’estat del buit. Les partícules són pertorbacions d’aquest estat del buit, o petits defectes de la seva estructura.

Quan considerem la gravetat, ens adonem que l’expansió de l’univers sembla crear més d’aquest estat buit des del no-res. Quan es crea l’espai-temps, resulta que apareix en l’estat corresponent al buit sense cap defecte. Com es crea el buit just en l’ordenament correcte és una de les qüestions principals que cal respondre per obtenir una descripció quàntica consistent dels forats negres i la cosmologia. En ambdós casos hi ha una mena d’estirament de l’espai-temps que acaba creant més de la substància del buit.

4- La gravetat no es pot calcular

Sera Cremonini, física teòrica a la Universitat de Lehigh, treballa en teoria de cordes, gravetat quàntica i cosmologia:

Hi ha moltes coses que fan la gravetat especial. Em concentraré en un aspecte, la idea que la versió quàntica de la teoria de la relativitat general d’Einstein és “no-renormalitzable”, que té implicacions pel comportament de la gravetat a altes energies.

En les teories quàntiques hi apareixen termes infinits quan intentem calcular com les partícules energètiques reboten i interactuen entre si. En les teories renormalitzables, que inclouen les teories de totes les forces de la naturalesa excepte la gravetat, aquests infinits els podem eliminar rigorosament afegint altres quantitats anomenades contratermes que els cancel·len. Aquest procés de renormalització ens permet arribar a respostes físicament raonables que són confirmades pels experiments fins a un alt grau d’exactitud.

El problema amb una versió quàntica de la relativitat general és que els càlculs que descriurien les interaccions de gravitons (les unitats quàntiques de la gravetat) molt energètics tindrien un nombre infinit de termes infinits. S’haurien d’afegir una infinitat de contratermes en un procés inacabable, i la renormalització fallaria. Per això una versió quàntica de la relativitat general d’Einstein no és una bona descripció de la gravetat a altes energies, i li manquen algunes propietats i ingredients clau de la gravetat.

Tot i això, podem descriure molt bé la gravetat a baixes energies de forma aproximada amb les tècniques quàntiques estàndard que funcionen per les altres interaccions de la natura. La qüestió crucial és que aquesta descripció aproximada s’ensorra a partir d’una escala d’energia, o de manera equivalent, per sota d’una certa longitud. Més amunt d’aquesta energia o per sota d’aquesta escala espacial, esperaríem trobar nous graus de llibertat i simetries per les quals ens cal un nou marc teòric. Això és el que pot aportar la teoria de cordes o una generalització adequada: la teoria de cordes ens diu que, a escales molt petites, veuríem que els gravitons i altres partícules són objectes estesos, les cordes. L’estudi d’aquesta possibilitat ens pot ser valuós per comprendre el comportament quàntic de la gravetat.

(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 1/2 – (02/juliol/2020)