Una teoría radical que unifica consistentemente la gravedad y la mecánica cuántica preservando al mismo tiempo el concepto clásico de espacio-tiempo de Einstein ha sido anunciada en dos artículos publicados simultáneamente por físicos de la UCL (University College London).
La física moderna se basa en dos pilares:por un lado, la teoría cuántica, que rige las partículas más pequeñas del universo, y, por otro, la teoría de la relatividad general de Einstein, que explica la gravedad mediante la curvatura del espacio-tiempo. Pero estas dos teorías están en contradicción y una reconciliación ha sido difícil de alcanzar durante más de un siglo.
La suposición predominante ha sido que la teoría de la gravedad de Einstein debe modificarse o "cuantizarse" para que encaje dentro de la teoría cuántica. Este es el enfoque de dos candidatos destacados para una teoría cuántica de la gravedad:la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles.
Pero una nueva teoría, desarrollada por el profesor Jonathan Oppenheim (UCL Physics &Astronomy) y expuesta en un artículo en Physical Review X, desafía ese consenso y adopta un enfoque alternativo al sugerir que el espacio-tiempo puede ser clásico, es decir, no estar gobernado en absoluto por la teoría cuántica.
En lugar de modificar el espacio-tiempo, la teoría, denominada "teoría poscuántica de la gravedad clásica", modifica la teoría cuántica y predice una ruptura intrínseca de la previsibilidad mediada por el propio espacio-tiempo. Esto da como resultado fluctuaciones aleatorias y violentas en el espacio-tiempo que son mayores de lo previsto en la teoría cuántica, lo que hace que el peso aparente de los objetos sea impredecible si se mide con la suficiente precisión.
Un segundo artículo, publicado simultáneamente en Nature Communications y dirigido por el ex Ph.D. del profesor Oppenheim. estudiantes, analiza algunas de las consecuencias de la teoría y propone un experimento para probarla:medir una masa con mucha precisión para ver si su peso parece fluctuar con el tiempo.
Por ejemplo, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Francia pesa habitualmente una masa de 1 kg, que solía ser el estándar de 1 kg. Si las fluctuaciones en las mediciones de esta masa de 1 kg son menores de lo necesario para la coherencia matemática, se puede descartar la teoría.
El resultado del experimento, u otra evidencia emergente que confirmaría la naturaleza cuántica versus clásica del espacio-tiempo, es el tema de una apuesta de 5000:1 entre el profesor Oppenheim, el profesor Carlo Rovelli y el Dr. Geoff Penington, principales defensores del bucle cuántico. gravedad y teoría de cuerdas respectivamente.
Durante los últimos cinco años, el grupo de investigación de la UCL ha estado poniendo a prueba la teoría y explorando sus consecuencias.
El profesor Oppenheim dijo:"La teoría cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein son matemáticamente incompatibles entre sí, por lo que es importante comprender cómo se resuelve esta contradicción. ¿Deberíamos cuantificar el espacio-tiempo, o deberíamos modificar la teoría cuántica, o es algo completamente diferente? Ahora que tenemos una teoría fundamental consistente en la que el espacio-tiempo no se cuantifica, nadie lo sabe."
El coautor Zach Weller-Davies, quien como Ph.D. Un estudiante de la UCL ayudó a desarrollar la propuesta experimental e hizo contribuciones clave a la teoría misma, dijo:"Este descubrimiento desafía nuestra comprensión de la naturaleza fundamental de la gravedad, pero también ofrece vías para investigar su potencial naturaleza cuántica.
"Hemos demostrado que si el espacio-tiempo no tiene una naturaleza cuántica, entonces debe haber fluctuaciones aleatorias en la curvatura del espacio-tiempo que tienen una firma particular que puede verificarse experimentalmente.
"Tanto en la gravedad cuántica como en la gravedad clásica, el espacio-tiempo debe estar sufriendo fluctuaciones violentas y aleatorias a nuestro alrededor, pero en una escala que aún no hemos podido detectar. Pero si el espacio-tiempo es clásico, las fluctuaciones tienen que ser mayores que un cierta escala, y esta escala puede ser determinada por otro experimento donde probamos cuánto tiempo podemos poner un átomo pesado en superposición de estar en dos ubicaciones diferentes."
Los coautores, el Dr. Carlo Sparaciari y la Dra. Barbara Šoda, cuyos cálculos analíticos y numéricos ayudaron a guiar el proyecto, expresaron su esperanza de que estos experimentos puedan determinar si la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad es el enfoque correcto.
El Dr. Šoda (anteriormente UCL Física y Astronomía, ahora en el Instituto Perimetral de Física Teórica, Canadá) dijo:"Debido a que la gravedad se manifiesta a través de la curvatura del espacio y el tiempo, podemos pensar en la cuestión en términos de si la velocidad en el cual fluye el tiempo tiene una naturaleza cuántica, o naturaleza clásica.
"Y probar esto es casi tan simple como probar si el peso de una masa es constante o parece fluctuar de una manera particular".
El Dr. Sparaciari (Física y Astronomía de la UCL) dijo:"Si bien el concepto experimental es simple, el pesaje del objeto debe realizarse con extrema precisión.
"Pero lo que me parece emocionante es que, a partir de suposiciones muy generales, podemos demostrar una relación clara entre dos cantidades mensurables:la escala de las fluctuaciones del espacio-tiempo y durante cuánto tiempo se pueden colocar objetos como átomos o manzanas en superposición cuántica de dos ubicaciones diferentes. . Entonces podemos determinar estas dos cantidades experimentalmente."
Weller-Davies añadió:"Debe existir una interacción delicada si las partículas cuánticas, como los átomos, son capaces de doblar el espacio-tiempo clásico. Debe haber un equilibrio fundamental entre la naturaleza ondulatoria de los átomos y el tamaño de las fluctuaciones aleatorias en el espacio-tiempo". ."
La propuesta de probar si el espacio-tiempo es clásico buscando fluctuaciones aleatorias en la masa es complementaria a otra propuesta experimental que apunta a verificar la naturaleza cuántica del espacio-tiempo buscando algo llamado "entrelazamiento mediado gravitacionalmente".
El profesor Sougato Bose (Física y Astronomía de la UCL), que no participó en el anuncio de hoy, pero fue uno de los primeros en proponer el experimento de entrelazamiento, dijo:"Los experimentos para probar la naturaleza del espacio-tiempo requerirán un esfuerzo a gran escala, pero no Son de gran importancia desde la perspectiva de la comprensión de las leyes fundamentales de la naturaleza. Creo que estos experimentos están a nuestro alcance; estas cosas son difíciles de predecir, pero tal vez sepamos la respuesta dentro de los próximos 20 años".
La teoría poscuántica tiene implicaciones más allá de la gravedad. El infame y problemático "postulado de la medición" de la teoría cuántica no es necesario, ya que las superposiciones cuánticas necesariamente se localizan a través de su interacción con el espacio-tiempo clásico.
La teoría fue motivada por el intento del profesor Oppenheim de resolver el problema de la información de los agujeros negros. Según la teoría cuántica estándar, un objeto que entra en un agujero negro debería ser irradiado de regreso de alguna manera, ya que la información no puede destruirse, pero esto viola la relatividad general, que dice que nunca se puede saber acerca de los objetos que cruzan el horizonte de sucesos del agujero negro. La nueva teoría permite que la información sea destruida debido a una falla fundamental en la previsibilidad.
Más información: ¿Una teoría poscuántica de la gravedad clásica?, Physical Review X (2023). Journals.aps.org/prx/abstract/… 3/PhysRevX.13.041040. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.1811.03116
Jonathan Oppenheim et al, Decoherencia inducida gravitacionalmente versus difusión espacio-temporal:probando la naturaleza cuántica de la gravedad, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43348-2. www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2
Información de la revista: Revisión física X
Proporcionado por University College London
