El gran problema actual de la física fundamental es descubrir la teoría cuántica de la gravitación. Por desgracia, la escala de energías en la que la Naturaleza muestra efectos cuánticos gravitacionales está más allá de lo explorable con experimentos o con observaciones, no solo en este siglo XXI, sino, quizás, incluso en este tercer milenio. Como resultado, incluso si mañana se descubre la versión definitiva de dicha teoría, no podremos saber si es correcta, si describe de forma correcta la Naturaleza, pues no existirá ninguna forma de explorar sus predicciones con experimentos o con observaciones. Ante esta situación tan paradójica, muchas personas se preguntarán, ¿para qué financiar la investigación teórica en gravitación cuántica en la actualidad? La respuesta sencilla, aunque no gustará a algunas personas, es que los físicos teóricos somos tan soberbios que creemos que sabremos reconocer la teoría correcta en base a argumentos lógicos y resultados matemáticos, por su belleza intrínseca, sin el dictamen de la Naturaleza. Nuestra soberbia nos llevará más allá de la cita de Feynman, «no importa cuán bella sea tu teoría, no importa cuán inteligente seas tú, si el resultado no está de acuerdo con el experimento, tu teoría es incorrecta».
Alessio Rocci y Thomas Van Riet nos proponen en The European Physical Journal H una respuesta alternativa: la investigación en gravitación cuántica actual ha cambiado nuestra perspectiva sobre las teorías cuánticas de campos del modelo estándar de la física de partículas y sobre el espaciotiempo en la gravitación clásica descrita por la relatividad general. Cuestiones que hoy nos parecen obvias, como la concepción del modelo estándar y de la relatividad general como teorías efectivas, en lugar de como teorías fundamentales, en su opinión, no habrían surgido sin el motor de la búsqueda de una teoría de todo, una teoría cuántica de la gravitación que unifique el modelo estándar y la relatividad general. La idea de que estamos ante teorías efectivas, que se basan en el grupo de renormalización como herramienta predictiva, nació con Weinberg y se extendió a la relatividad general gracias a Donoghue. La nueva concepción sobre el paradigma actual de la física fundamental ha permitido el desarrollo de nuevas técnicas físicas y matemáticas para explorar las teorías de dicho paradigma. Entre otras técnicas, destaca la relevancia de los efectos no perturbativos, en apariencia mucho más relevantes (aunque en gran parte aún desconocidos) que los efectos perturbativos (que en gran medida permiten ajustar los resultados experimentales que confirman el modelo estándar y la relatividad general).
Y todo ello nos lleva al mejor candidato a teoría cuántica de la gravitación, la teoría de cuerdas. ¿Realmente la soberbia teórica es la razón por la que miles de físicos investigan en teoría de cuerdas? Rocci y Van Riet concluyen su artículo destacando que, sin la teoría de cuerdas, hubiera sido imposible concebir muchas de las herramientas actuales con las que se estudian las teorías cuánticas de campos y la relatividad general. Sin su impulso, ideas tan relevantes en los últimos 50 años como la supersimetría o la holografía, nunca hubieran revolucionado la física fundamental. En nuestra soberbia teórica, más allá de un cambio de visión sobre la física fundamental, creemos que estas nuevas técnicas serán de gran relevancia en la contrastación experimental del paradigma actual, al menos durante el resto del siglo XXI. Por supuesto, una vez descubiertas, estas herramientas se pueden usar sin recurrir de forma explícita a la gravitación cuántica. Pero la historia hubiera sido muy diferente sin «la teoría de cuerdas, una parte de la física del siglo XXI que llegó por casualidad al siglo XX», como nos recuerda la famosa frase de Daniele Amati (a veces atribuida a Ed Witten).
Como bien sabes, predecir una ucronía es tan imposible como predecir el futuro. No podemos saber cómo sería la física teórica actual sin la teoría de cuerdas. Pero el declive de dicha teoría durante el siglo XXI ha reforzado su papel como locomotora generadora de nuevas ideas físicas y de nuevas herramientas matemáticas. Solo el futuro podrá decidir si se cumple la esperanza actual de que dichas herramientas sean fructíferas y revolucionarias. Pero la financiación de la investigación en gravitación cuántica debe continuar, pues promete muchos progresos en nuestra comprensión de las teorías que constituyen el paradigma actual en física fundamental. Si te interesa este asunto, te recomiendo el artículo de Alessio Rocci, Thomas Van Riet, «The quantum theory of gravitation, effective field theories, and strings: yesterday and today,» The European Physical Journal H 49: 7 (23 Apr 2024), doi: https://doi.org/10.1140/epjh/s13129-024-00069-4, arXiv:2403.14008 [physics.hist-ph] (20 Mar 2024), que sigue el hilo histórico de estas ideas, desde la década de los 1930 hasta la actualidad.
Muy interesante el articulo. Conozco (y sigo) a Van Riet de la Universidad de Lovaina que es donde Thomas Hertog guia el departamento de Cosmologia. Supongo que simplemente no se puede saber si por alguna serendipia al buscar (y encontrar) el enfoque adecuado a la gravedad cuantica podriamos encontrar alguna realidad fenomenologicamente accesible con nuestros experimentos. Por ejemplo una teoria de la gravedad (conjeturo) cuantica deberia de explicar que es exactamente lo que llamamos «tiempo», ya que en la famosa ecuacion Wheeler-de Witt no aparece una segunda derivada (no depende del tiempo, el sistema -si bien lo he entendido- no evoluciona). Tambien deberia de explicar porque es imposible -hasta donde podemos leer- hacer del tiempo un operador y tambien explicar la relacion entre tiempo imaginario y entropia del tipo tau=1/beta donde beta es E=kb*temperatura. Hay muchos niveles que quizas podrian ofrecernos una suerte de «hackeado» para comprobar si la que hemos encontrado es la verdadera respuesta. A buscar! «Provando e riprovando», como decia Galileo! 🙂
Thomas, como dirían Woit o Hossenfelder, ¿cómo sabremos si dicha explicación convincente de la naturaleza del tiempo es la explicación correcta si no podemos hacer experimentos que puedan validarla?
Aun tengo que leerme «not even wrong» de Woit. Desde que he reanudado los estudios de fisica y de mate aun lo tengo pendiente pero aun no me ha dado…tiempo (para seguir con el tema). Bueno, es que hay «condiciones necesarias» y «condiciones suficientes». Lo que pasa es que cada definicion que actualmente tenemos del tiempo es (bajo mi opinion) estrictamente tautologica: el tiempo es el cambio de algo…en el tiempo! No hay ninguna definicion primaria, si no que simplemente lo tomamos como algo demasiado dificil para quitarlo de su pedestal como algo que podemos definir segun otras cantidades. Ahora bien, claramente una teoria que nos proporciones una definicion no tautologica del tiempo podria ser necesaria y tambien a la vez…una condicion suficiente para considerar valida una teoria. Luego a nivel de filosofia de la ciencia hay que destacar que Hossenfelder defiende una posicion que definiria Kuhniana (sin haber entendido del todo lo que Kuhn decia) y yo soy mas neopopperiano al estilo de Lakatos: las teorias no se validan, solo se intentan falsarlas. Hossenfelder se basa en que hay un consenso (un «paradigma», diria ella) en la comunidad sobre ciertas teorias y que dicho consenso puede ser deshechado por una proxima «revolucion cientifica». Creo que se hace muy buena ciencia tambien intentando demonstrar que una teoria se equivoca y no se encuentran pruebas de tales errores, pero estos son matices, supongo…
Pues, por ejemplo, por que solo te quede un modelo explicativo que cuadre con todo perfectamente. En ciencia, aun con los experimentos pertinentes, nunca vas a tener una certezal del 100%…tal certeza no existe, y por ello la posición negacionista es muy cómoda, porque siempre vas a poder decir que no sabemos si realmente hay algo más alla, pero recordemos que la ciencia no es filosofía.
Dos preguntas tengo al respecto:
Se puede afirmar con tal rotundidad que no se va a poder demostrar experimentalmente la teoría correcta de gravitación cuántica? Es algo conceptual o podría idearse algún experimento que demostrase o descartase dicha teoría?
Y la otra pregunta sería, si predice algo la relatividad general acerca de un espacio tiempo continuo o discreto. Hay algún tipo de implicación en la teoría que prediga si existe una unidad mínima de espacio tiempo?
Gracias!
Adam, la renormalizabilidad del modelo estándar, en esencia, significa que la física explorada hasta cierta escala de energía no se ve influida por la física que exista a escalas de energía más altas. La gravitación cuántica explicará los fenómenos que ocurren en una escala de energía próxima a la escala de Planck. Por tanto, en rigor, nunca podrá ser explorada usando escalas de energías inferiores descritas por teorías como las actuales. Recuerda que hay unos 14 órdenes de magnitud entre la escala de Planck y las escalas de energía que exploramos en la actualidad.
A principios del siglo XX, la escala de energía más alta que podíamos explorar eran los MeV (gracias a la radiactividad alfa); ahora exploramos la escala de los TeV, unos 6 órdenes de magnitud mayor. Por limitaciones técnicas, no es concebible que en el próximo siglo logremos un salto similar, de 6 órdenes de magnitud; todo apunta a que, como mucho, logramos uno de 2 órdenes de magnitud. Y cada vez será más difícil alcanzar energías aún más altas.
Por supuesto, Adam, sobre todo si eres joven, tendrás la sensación de que un nuevo «Einstein», un joven físico supercreativo, podrá desvelar cómo explorar lo físicamente inconcebible. Soñar es gratis. Yo sueño con verlo.
Más que un Einstein sospecho que se tratará de un grupo de personas y varias IA…y el resultado, aunque no pasaría las normas de demostración que serían deseables hoy, si pasará las exigible en el momento de su concepción.
Las teorías efectivas y su fundamento han cambiado cómo entendemos el problema de la gravitación cuántica. Incluso la teoría de cuerdas es una teoría efectiva de las teorías de alto espín, a pesar de que éstas son problemáticas como mucha gente conoce (salvo unos pocos casos que han estado de moda), y lo escribió en un libro de CUP.
Estando de acuerdo con esto, el problema esencial de la teoría de cuerdas se puede decir es experimental en esencia. Ni la supersimetría ni las dimensiones extra han sido halladas, y es un varapalo (por supuesto podemos mover la escala de energía fuera del alcance del VLHC o del colisionador chino, o hasta la energía de Planck siendo bestias, pero eso es, a mi entender, juego sucio).
Hay quien dijo, hace tiempo, que el éxito más grande de la teoría de cuerdas era la predicción de la GR y el SM en un modelo coherente y autoconsistente, pero no han podido aún explicar, desde ese framework, por qué los Yukawa de ciertas partículas son más grandes que otros. ¿Por qué el Higgs se acopla tanto al quark top y tan poco al resto de partículas?¿Hay una escala de energía intermedia entre la escala electrodébil y la escala de Planck? Estas preguntas no han sido respondidas nunca de forma clara por los partidarios de las teorías. Y que conste yo lo soy, pero ya no tan incondicionalmente como otrora.
En palabras simples: Galileo asumió que la materia contenía «masa fundamental», sin darse cuenta que era un efecto momentáneo producto de una fuerza de aceleración mecánica, sobre la Energía Nuclear de la materia, y con esa «masa», observó una atracción de 9,8m/s2 a nivel del mar, muy insuficiente, al menos 5 órdenes de magnitud menor del total de energía contenida en el profundo y super denso núcleo del planeta Tierra. Kepler después fue el primero en distorsionar el tiempo y el espacio en favor de sus geometrías, asumiendo que los constantes cambios de dirección y velocidad de las órbitas elípticas pronunciadas, no consumían un mínimo de fuerzas que las derivaba a órbitas más entrópicas y circulares con el paso del tiempo. Leyes geométricas, que impidieron utilizar las Tres Leyes Físicas Universales de Newton, aplicadas en interacciones entre campos electromagnéticos, sus energías y velocidades en el espacio, por el constante empuje de marea solar a corta distancia, capaz de sostener la elíptica pronunciada de forma sincronizada en el tiempo, mientras adelanta mínimamente al planeta sin acelerarlo, producto de la Tercera ley de Newton aplicada a interacciones entre campos electromagnéticos en el vacío, y por esa razón los oscuros chistes matemáticos del método de Einstein ahora en la actualidad se cuentan solos.
Saber si existe teoría de gravedad cuántica completa, teoría del todo, incluso saber si la hipótesis de Riemann es cierta no sirve para casi nada (cerrar algunas conjeturas y poco más). Lo que serviría sería tener acceso a las demostraciones de tales respuestas, allí está la chicha.
La teoría que nos dice casi todo lo que queremos saber acerca de la gravedad es la relatividad general, por tanto, para saber si tenemos una teoría de gravedad cuántica completa tendríamos como mínimo que ser capaces de reproducir todos los resultados de RG (utilizando gravitones claro).
Aún así no podemos saber si estamos dejando de explicar algo o nuestra teoría lo explica «todo» pues la teoría que dictaría «todo» lo que se puede explicar sería ella misma. Podríamos saber que nuestra teoría es mejor que las anteriores, eso sí, pero saber que es completa es ir un paso más lejos.
(Tarski por ejemplo creó una teoría completa para un rama de problemas de geometría restringiendo mucho las cosas para poder afirmar su completitud, claro)
Qué bueno el estereograma, me encanta El Ojo Mágico
En realidad, la inversión en física nuna , nunca es tiempo perdido, y no solamente la historia nos ha enseñado cómo se rescatan cosas, o qué lección nos da las vias muertas, si no que quiero ir más lejos todavía, las vías muertas que no traen frutos…¿por qué no nos parece que las sinfonías de Beethoven son una pérdida de tiempo y sí lo es, por poner ejemplos de vías muertas, el modelo del espacio-tiempo como una estructura causal no conmutativa de campo, de Stavraki, el cual, te está desplegando todo un p**o mundo aunque no sea real? ¿No es acaso bello también la estructura de espacio tiempo que Vladimirov?, ¿no lo es el tiempo «activo» de Kozyrev aunque no sea el nuestro? , ¿no te invita a soñar los universos espejos que proceden de la teoría de invariacia cronométrica de Zelmanov, donde uno, además , puede ir saltando de sistema de referencia con su tiempo propio? , ¿no es un maravilloso mundo de ciencia ficción el espacio tiempo puramente minkowskiano de Sazanov?… ¡¡y qué decir de la métrica de Alcubierre que te permite navegar por él….!!
No es sobervia, es arte, y además, arte que nos trae modelos de la realidad y modelos de ficción, es la construcción de mundos, es el intelecto humano a su máximo potencial.
«es el intelecto humano a su máximo potencial»
https://www.youtube.com/watch?v=mpdFTe-clw4
😂😂😂
Gracias Francis por tu reflexión. Me surgen preguntas: ¿Qué tan dispuestos están los físicos (de la academia) a aceptar otras teorías que no sean las propias o las que les dan el sustento? Es decir, el status quo también es un impedimento para las nuevas teorías, basta recordar la larga queja de Planck sobre la actitud de sus maestros y condicípulos a aceptar la nueva evidencia. ¿Cómo llegarle a los jóvenes que desarrollarán esas ideas? ¿Cómo contradecirte Francis si tu eres el dueño de la vitrina?
Ge, los físicos (como todos los científicos) están abiertos a las nuevas ideas, cuando son propuestas por físicos (científicos). Si las ideas son propuestas por legos, que ignoran lo más básico de la física, como es obvio, no serán aceptadas, porque no son aceptables.
Como contraejemplos tenemos la teoría general de sistemas cuyo origen son los administradores de empresas o la teoría de la información propuesta por un ingeniero. Los médicos se denominan a sí mismos científicos y hasta la Cosce (Confederación de sociedades científicas de España) considera científicas categorías como las artes y las humanidades. Por tu respuesta se puede deducir que los físicos están aislados enfrentando una complejidad matemática abrumadora poco atractiva para los jóvenes que quieren abordar estos temas desde una perspectiva científica no tan «dura». Puede que un ornitólogo tenga la respuesta, pero no lo sabe.
¿Qué te parece que cuando es expuesto por alguien formado que entienda profundamente lo que trabaja? Porque elucubrar al pedo tod@s podemos ( ;P ) pero para acertar se ha de entender lo que se está manejando. Y eso se estudia o se aprende bien y las cosas nuevas hace falta mucho conocimiento porque hemos llegado a un nivel de conocimiento y complejidad brutal (o más que complejidad que es en ámbitos fuera del sentido común). No vale que un tipo vea dos vídeos en youtube y crea tener una idea ingeniosa como si fuera hace siglos que alguien viera algo por ahí y atara cabos. Ahora las cosas a ver y cabos para atar cuestan muchisimo de acceder (y por cierto a la gente que le gustan las explicaciones fáciles, concisas y directas con cosas conocidas y sin tecnicismos se frustran y encima se enfadan muchísimo como si la complejidad antiintuitiva y casi practicamente matemática para poder expresarla fuera culpa de la persona que no lo sabe hacer fácil y enreda). Simplemente que se ha de mostrar en el trabajo tener alguna idea de lo que se habla y como se ha hecho no como ese del H*E=m*C^2 que se ha hecho viral por las redes que se dedica a mentir e inventarse cosas atractivas y sencillas de contar para la gente y fabulosas, conspiraciones y demás.. Y ese otro tipo de cosas no vale (se hacen los censurados por la ciencia y demás encima). No se puede proponer un nuevo tipo de variante de motor de explosión de automóvil sin saber ni lo que es el volante o que quema combustible. Es imposible.
Toda la parrafada viene porque creo que Ge da un poco en el clavo con lo de complejidad matemática abrumadora. No es tanto que sea una gran complejidad (se puede estudiar esas matemáticas) es que la supuesta realidad que describen esas matemáticas es muy dificil de imaginar intuitivamente. Es como hacer nueva filosofía ontológica con las cuerdas pero los razonamientos hacerlos en un pulcro lenguaje logico-matemático y no con razonamientos sencillos con concretos intuitivos escritos en español o inglés ni siquiera tener la idea intuitivamente clara en la imaginación. Somos un tipo de primate y nos fastidia un montón. Las superinteligencias artificiales después de Q*-cereza tal vez puedan algo así, Que nosotros lo podamos manejar parecido.. uff no se…
Ah José Edelstein En uno de los episodios repuestos [donde yo soltaba la delirante, vamos , preguntaba yo de si se podria construir una teoría de cuerdas consistente con estas -ya se que no lo son- de naturaleza taquioica pero sus excitaciones de campos todas de naturaleza normal, las partículas vividas todas normales, solo para especular si se iria al garete todo, seguro.. ( Y Si, era porque en las cuerdas bosonicas las cuerdas son normales como toca, y dan probabilidades negativas -26 dimensiones- o taquiones -rebajando dimensiones- para algunas soluciones de particulas que se arregla con supersimetría de supecuerdas y ya y bueno) Me parece que no tendría ninguna consistencia ].
Nada que José Edelstein en ese episodio hablaba de que se conocían varias variedades de calabi-Yau parecidas a los grupos de simetria SU(3)xSU(2)xU(1) o muy parecidas ya pero que no cuadraban. ¿están en algun paper que no encuentro recogidas la lista de las mismas? ¿Sin una imaginación intuitiva de lo que se cree manejar es posible crear las herramientas matemáticas para obtener holonomias de variedades de calabi-yau y grupos de simetría o a la inversa y de estos aquellas? Porque veo trabajos de Dirac y son alucinantes porque puedes seguir cada paso de la ecuacion de Dirac pero no que camino está haciendo y como sabe que se ha de hacer ese camino y no otro y ese es el punto. O sea
Cristina, hay muchos artículos sobre este tema, pero quizás te agrade leer Mirjam Cvetic, James Halverson, …, Jiahua Tian, «A Quadrillion Standard Models from F-theory,» Phys. Rev. Lett. 123: 101601 (2019), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.101601, arXiv:1903.00009 [hep-th] (28 Feb 2019), https://arxiv.org/abs/1903.00009, que presenta unos mil billones de variedades de Calabi-Yau (con fibrado elíptico) para obtener (las simetrías de) el modelo estándar con un espectro quiral (en el contexto de la teoría F, que viene a ser equivalente a una teoría de supercuerdas tipo IIB). Ahora bien, intuir estas variedades de Calabi-Yau no es nada trivial.
Revisando mi comentario veo que parece un poco brusco y por ello pido disculpas pues no buscaba que fuera así. Por lo tanto, busqué matices como los que apunta Cristina (muy agradecido por tu respuesta.) Nada mejor que el filósofo para hacerlo, pero parece que el elegido resultó más hostil.
Los primeros párrafos del siguiente artículo parecen entrar en sintonía con mi postura (eso si, difiero en la posición elevada del filósofo que es humano también) que no logro concretar con palabras adecuadas. Saludos y muchas gracias!
https://cuadernoshispanoamericanos.com/ortega-y-gasset-el-filosofo-de-la-ciencia/
Hola te sigo desde hace varios años en este blog. Una tarea ardua, loable y educativa. Me gusta tu manera de escribir directa y sin miedo. Te tengo una pregunta ante la ausencia de una teoría de la gravedad cuántica, que piensas de la geometrotermodinamica para agujeros negros propuesta por Hernán Quevedo del ICN-Unam. Saludos desde Bogotá Colombia
Warojasc, la idea de usar geometría diferencial en termodinámica, en el contexto de las transformaciones de Legendre, me parece muy prometedora. Por ello, el artículo de Hernando Quevedo, «Geometrothermodynamics,» J. Math. Phys. 48: 013506 (2007), doi: https://doi.org/10.1063/1.2409524, me parece una contribución muy interesante, con muchas aplicaciones potenciales. Sin embargo, la aplicación concreta a los agujeros ha sido poco exitosa, hasta ahora, sin resultados relevantes (un artículo de revisión es Hernando Quevedo, «Black hole geometrothermodynamics,» J. Phys.: Conf. Ser. 831: 012005 (2017), doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/831/1/012005; el último artículo es Jose M. Ladino, Carlos E. Romero-Figueroa, Hernando Quevedo, «Phase transitions, shadows, and microstructure of Reissner-Nordström-Anti-de-Sitter black holes from a geometrothermodynamic perspective,» arXiv:2406.10062 [gr-qc] (14 Jun 2024), https://arxiv.org/abs/2406.10062). Y, por cierto, la geometrotermodinámica de los agujeros negros no aporta nada en relación a una futura teoría cuántica de la gravitación.
Para mi, la respuesta al título del artículo, para qué estudiar sobre la teoría cuántica de la gravitación es realmente simple:
¡Para ganar un premio Nobel de física!