Tal vegada heu sentit a parlar de la gravetat i la quàntica, però, més enllà de qüestionar el vostre coneixement, quina relació hi ha entre elles? Aquesta pregunta, innocent i pròpia de començament de safareig, ha alimentat incomptables maldecaps de persones dedicades a la recerca d’una teoria unificada, una teoria del tot.
Avui en dia, la gravetat quàntica és un camp de la física teòrica que pretén descriure la gravetat seguint les lleis de la mecànica quàntica, i tot i semblar una feina senzilla … (noti’s l’humor), aquesta ambició s’ha vist frustrada múltiples vegades.
Una mica d’història
Isaac Newton, entre altres físics contemporanis, va proposar les lleis de la mecànica clàssica. Aquestes es van anar generalitzant i aplicant a més sistemes fins que va arribar un punt on certs membres de la comunitat científica creien que ja no es podia descobrir res en física; l’únic que quedava per fer eren mesures més i més precises. Temps després, l’any 1900, es va descobrir que encara hi havia molt per aprendre. És llavors quan van aparèixer els primers conceptes que la mecànica clàssica no podia explicar.
Alguns d’aquests fenòmens que no tenien explicació dins del context clàssic eren la radiació de cos negre i l’efecte fotoelèctric, entre d’altres. Fruit de l’experimentació i d’observacions, es va proposar el que avui dia coneixem com la llei de Planck, la dualitat ona-partícula i el principi d’incertesa de Heisenberg. Així naixia la física quàntica. I què és la física quàntica? Doncs bé, és una branca de la física dedicada a l’estudi de la natura a escales atòmica i subatòmiques. En física quàntica, l’energia no és una magnitud contínua, sinó discreta (com si estigués agrupada en “paquets”). Per tant, només pot tenir uns valors determinats que estan fixats.
La gravetat era també un altre assumpte pendent de la mecànica clàssica, ja que no explicava l’òrbita de mercuri o la paradoxa d’Olbers. Durant anys aquests problemes van ser ignorats fins que Albert Einstein (possiblement amb l’ajut de Mileva Maric) va publicar aportacions importants, començant per la teoria de la relativitat especial i, més endavant, la de la relativitat general. Aquesta darrera teoria descrivia la gravetat com una deformació o curvatura en l‘espai-temps, no com una força com s’havia fet anteriorment. Entenem espai-temps com a una entitat matemàtica que combina les 3 dimensions de l’espai i la del temps en una sola superfície.
No obstant això, la relativitat general tampoc ens resol tots els dubtes (tant de bo ho fes!). No és capaç de descriure els efectes quàntics que s’esperarien trobar als forats negres o a l’univers primitiu. Per tant, aquesta teoria no ens proporciona cap vincle entre la gravetat i la física quàntica.
I ara què?…
La teoria quàntica de camps (en anglès, Quantum Field Theory) va ser un primer intent per resoldre aquesta incògnita. Combina tant les teories clàssiques de camps (per exemple, l’electromagnetisme), la relativitat especial i la mecànica quàntica. Ho té gairebé tot. En aquesta teoria, el comportament quàntic d’un camp és equivalent al d’un sistema de partícules que es poden crear o destruir. Les partícules a les quals ens referim són les del model estàndard: els quarks, els leptons i els bosons.
Segons el model estàndard, tota la matèria està formada per unes partícules elementals –encara més petites que l’àtom– que són els quarks (up, down, top, bottom, charm i strange) i els leptons (electró, muó, tauó i neutrins). Aleshores, les interaccions fonamentals (electromagnètica, feble i forta) són transmeses per una partícula intermediaria, els bosons. En el cas de la interacció gravitatòria hauria d’estar mediada pel gravitó, que encara no ha estat detectat.
Sí, abans hem dit que la teoria quàntica de camps ho tenia gairebé tot. Què li falta llavors? Doncs que continua sense explicar consistentment la gravetat. De fet, la teoria de cordes és l’única teoria actual que unifica tot el que anteriorment hem mencionat, és a dir, la quàntica i la relativitat general.
La teoria de cordes
Imagineu-vos que en lloc de descriure les partícules com pilotes (partícules puntuals), ho féssim com cordes (objectes unidimensionals). Doncs aquesta és la idea principal de la teoria de cordes, les partícules elementals del model estàndard es defineixen com cordes. Ara bé, no totes les cordes són iguals, n’existeixen de diferents tipus, com ara poden ser tancades o obertes. Quan són tancades es comporten com la gravetat, en canvi, quan són obertes reprodueixen les partícules del model estàndard.
Una característica d’aquesta teoria, perquè sigui matemàticament consistent, és que es necessiten 10 dimensions (nou d’espai i una de temporal). Per què no percebem aquestes sis dimensions extres? Un exemple per resoldre aquesta pregunta és imaginar-se una formiga que camina per una corda. Aquesta formiga es pot moure en dues dimensions (pot avançar en línia recta o fent voltes a la corda), però en canvi, nosaltres només ens podríem moure en una sola direcció sobre aquesta corda. Això és el que passa a la teoria de cordes: quan anem a escales més petites, trobem dimensions extres.
Una de les conseqüències de la gravetat quàntica és el principi d’holografia. No, no estem parlant d’hologrames com estem acostumats a sentir a parlar, però sí que una mica s’assemblen. Igual que en els hologrames tenim informació 3D en una superfície 2D, el principi d’holografia ens diu que pots descriure els sistemes en una dimensió menys i, llavors, no hi ha gravetat.
Gràcies a la teoria de cordes es pot donar una descripció aproximada de la gravetat quàntica unificada amb les altres interaccions. Així mateix, com en totes les altres teories, segueixen havent-hi alguns problemes que encara s’han de solucionar i explicar. Tot un repte!
Ja per acabar…
Trobar una teoria unificada que englobi tots els aspectes de la física, des de la quàntica fins a la gravetat, no és una tasca senzilla. I, com sol passar quan es vol quedar amb tota la família, el grup d’amics i amigues i companys de feina, sempre hi ha algú que no està disponible. Les teories proposades també tenen incògnites per resoldre. De mica en mica, tanmateix, amb els esforços de la comunitat científica s’està arribant a una solució més completa de la gravetat quàntica.
Per saber-ne més
Viquipèdia – Quantum Gravity
Viquipèdia – Standard Model
Viquipèdia – String Theory
Fotografies: 1 de Twitter; 2 de Viquipèdia, 3 i 4, pròpies de l’autora. Gràcies en G.P.P. pel seu ajut en aquest article.
Molt bon resum, gràcies!!
Gràcies 🙂
Excel·lent article! M’ha agradat molt la manera tan senzilla i entenedora en la que heu explicat un tema tan intrigant com la gravetat quàntica. M’ha cridat molt l’atenció la teoria de les cordes i la seva proposta sobre les partícules. En general m’ha semblat un blog molt enriquidor en el que pogut conèixer tots els fenòmens que m’envolten i poder expressar-los matemàticament.