Divulgación sobre Gravedad Cuántica de Lazos

"Loop Quantum Gravity for Everyone" es un libro de divulgación recién editado (enero 2020) sobre Gravedad Cuántica de Lazos (LQG), una de las principales propuestas, junto con la teoría de cuerdas, que pretenden unificar los dos pilares de la física moderna, la relatividad general con la mecánica cuántica.


Los autores de este libro de 104 páginas son físicos reconocidos mundialmente como dos de los principales impulsores de la LQG en las últimas tres décadas, los investigadores Rodolfo Gambini (Universidad de la República, Uruguay) y Jorge Pullin (Louisiana State University, USA).

La gravedad cuántica de lazos (o de bucles) tiene varios antecedentes, pero su nacimiento formal se puede considerar que ocurrió en el año 1986, con el artículo "New Variables for Classical and Quantum Gravity" del físico indio Abhay Ashtekar, quien reformuló las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein. Al cuantizar la gravedad, el espacio-tiempo a escalas extremadamente pequeñas (denominada escala de Planck), deja de ser el suave y continuo espacio-tiempo de la relatividad general, para presentarse como una red tejida, discontinua pero densa de "átomos de espacio-tiempo". Esta estructura es compleja en la escala de Planck pero en escalas más grandes parece suave y continua, coincidiendo con la imagen de la relatividad general. En gravedad cuántica es usual la analogía del océano, creada por el gran físico John A. Wheeler, desde lejos, desde un avión por ejemplo, la superficie del océano parece suave y continua (como el espacio-tiempo en la relatividad general), pero de cerca, cuando estamos en la playa, se aprecia la superficie agitada y la espuma con todos sus detalles e irregularidades (esa sería la visión de una teoría cuántica de la gravedad, donde el espacio-tiempo está permanentemente alterando su topología.)


Imagen de un artículo de divulgación de Abhay Ashtekar, "Gravitation Quantique", en la revista francesa La Recherche, Nº 160, de 1984. Se muestra el aspecto que tendría el espacio-tiempo en tres escalas diferentes. Arriba la escala clásica, donde el espacio-tiempo parece suave y se puede modelar según la relatividad general. Abajo la escala de Planck donde el espacio-tiempo presenta una topología compleja y cambiante que requiere de una teoría cuántica de la gravedad.



Al inicio del libro Loop Quantum Gravity for Everyone, los autores confiesan que aún "no conocemos un solo fenómeno o experimento físico observable que requiera una teoría cuántica de la gravedad para explicarlo." Por lo que surge naturalmente una pregunta ¿Para qué entonces dedicar tiempo a una tarea intelectualmente tan exigente? A lo que responden con dos motivos:

1º) "El primero es la unidad y la coherencia de la física. Sabemos que todas las otras interacciones fundamentales (electromagnéticas, fuertes y débiles) requieren de la mecánica cuántica para describir correctamente la naturaleza. La razón de esto es que estas interacciones son importantes a nivel microscópico, sabemos que a nivel microscópico las cosas son de naturaleza cuántica. La gravedad es importante solo en el nivel macro, como en los objetos astronómicos, y allí los efectos cuánticos son insignificantes. Como veremos, la relatividad general predice situaciones como los agujeros negros y el Big Bang donde los efectos cuánticos son importantes, pero no tenemos acceso experimental directo a ellos."

2º) "La segunda razón para hablar sobre la gravedad cuántica es que no sabemos cómo acoplar teorías clásicas y cuánticas de manera consistente. Como veremos, la mecánica cuántica tiene propiedades contraintuitivas. Una de ellas es que las cantidades físicas no tienen valor hasta que se miden. No es que uno ignore sus valores hasta que uno mida, simplemente no existen. ¿Cómo, por lo tanto, se puede combinar esa teoría con una teoría clásica en la que las cantidades físicas deben tener valores todo el tiempo? Uno puede pensar que no tener ningún experimento o fenómeno que explicar haría muy fácil construir una teoría de la gravedad cuántica. Después de todo, uno no está limitado por experimentos que podrían descartar teorías candidatas. Sin embargo, ha resultado ser muy difícil de hacer. La razón de esto es que, como veremos, la teoría general de la relatividad de Einstein describe la gravedad, no en términos de una fuerza como en todas las otras interacciones, sino como una deformación del espacio-tiempo. Esto hace que la gravedad sea muy diferente de las otras tres interacciones. Por lo tanto, no es sorprendente que presente desafíos únicos en el momento de su cuantización."

El libro tiene nueve capítulos. Comienza presentando las teorías de la relatividad general (cap. 2) y la mecánica cuántica (cap. 3), para luego explicar la teoría cuántica de lazos (cap. 4), dar algunas aplicaciones en agujeros negros (cap. 5) y cosmología (cap. 6) y terminar con otros desarrollos y perspectivas a futuro en los tres últimos capítulos.

Está dirigido al público en general, estudiantes de física y entusiastas de la ciencia. No tiene ecuaciones, como casi todo libro de divulgación, lo que no quita que se trata de una lectura dasafiante, como es de esperar de uno de los temas más complejos a los que se enfrenta la ciencia desde hace varias décadas.

El libro está en inglés y se puede comprar en papel o en formato electrónico en el sitio de la editorial World Scientific, en este enlace: https://doi.org/10.1142/11599.

Para complementar este libro (o para quienes no se llevan con el inglés) pueden acceder al curso en español de Jorge Pullin en la plataforma edX sobre "Introducción a la gravedad cuántica de lazos."
En este enlace: https://www.edx.org/course/introduccion-a-la-gravedad-cuantica-de-lazos




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