Quasi tot el que ocorre al nostre  voltant pot explicar-se amb tan sols dos teories físiques: la teoria de la relativitat general i la mecànica quàntica. Fins hui, tot intent d'unificació de les dos teories ha sigut infructuós. No obstant això, físics de les Universitats de Varsòvia i Cracòvia, les dos a Polònia, han pogut donar amb la clau que podria, per fi, unificar-les. Si encerten, estaríem davant la major revolució de la física, la unificació somiada. Abans de veure com ho han fet, posem-nos en antecedents.

Les dos grans teories de la física

A principis del segle XX van fer aparició les dos teories amb les quals els físics som capaços d'explicar el funcionament de l'univers, tant a grans escales (relativitat general) com a escales atòmiques (mecànica quàntica).

La teoria de la relativitat general

La primera va ser gestada per Albert Einstein i posada en coneixement de la resta del món entre 1915 i 1916.

La teoria de la relativitat general està lligada a la llei de gravitació universal que sir Isaac Newton va dictar en 1687, però va molt més allà. Establix que l'espai i el temps són dimensions amb igual consideració i que l'atracció gravitatòria no és una força com a tal, sinó una pertorbació o deformació de la geometria de l'entramat espaitemps, produïda per la massa.

A major massa, major deformació, o cosa que és el mateix en termes newtonians, major atracció. Els objectes més massius coneguts són els forats negres i, per tant, són els que més distorsionen l'espaitemps i major atracció gravitatòria produïxen.

Una de les revelacions més interessants de la teoria és que els astres o objectes seguixen sempre línies “rectes” però estes poden estar immerses en geometries corbes, i eixa curvatura la generen els objectes amb massa.

Un exemple clàssic per a poder entendre este concepte és el següent. Si jo em trobe sobre la superfície de la Terra i desitge anar del pol nord al pol sud, el camí més curt serà una línia recta seguint un meridià, però és realment recta? Si una altra persona m'està observant des de l'espai veurà que el que estic recorrent és realment una corba, perquè la superfície sobre la qual em desplace és una corba, la superfície terrestre. A estàs “línies rectes” o de menor longitud entre dos punts se'ls denomina geodèsiques.

La mecànica quàntica

A l'altre extrem ens trobem amb la mecànica quàntica. Esta teoria va començar a gestar-se a la fi del segle XIX quan el físic alemany Max Planck va proposar que la radiació electromagnètica era absorbida i emesa per la matèria en quantitats fraccionades i finites que va anomenar “quants”, explicant d'esta manera el patró de radiació del cos negre i els espectres d'absorció/emissió, entre altres fenòmens.

En les teories anteriors a esta, l'energia es tractava com una magnitud contínua, la qual cosa en esta teoria se substituïx per una energia quantitzada.

Encara que Einstein, detractor confés de la teoria quàntica, es va valdre del concepte de quant per a explicar l'efecte fotoelèctric en 1905, no va ser fins més enllà de 1920 quan va començar a desenrotllar-se esta teoria, un procés en el qual van participar grans ments com Louis de Broglie, Erwin Schrödinger i Werner Heisenberg, entre altres. Els seus postulats expliquen el comportament de la matèria a escales atòmiques i subatòmiques, així com les interaccions a eixes escales, excepte la gravitatòria.

La equació de Schrödinger té el paper en mecànica quàntica que les lleis de Newton i de conservació de l'energia tenen en mecànica clàssica. Descriu com un sistema quàntic no relativista evoluciona en el temps. En el cas relativista, si la velocitat de la partícula és comparable amb la velocitat de la llum, s'ha d'acudir a altres equacions més complexes, com la de Dirac o la de Klein-Gordon.

La incompatibilitat de les dos teories

I si estes dos teories funcionen tan bé en els seus dominis, per què no poden aplicar-se satisfactòriament al mateix sistema? La principal diferència entre les dos és que la primera és determinista i la segona probabilística, i això les fa (o feia) incompatibles.

Intents d'unificació

Potser, la teoria d'unificació més coneguda pel gran públic és la teoria de cordes i és que Sheldon Cooper en la sèrie The Big bang Theory treballava en ella i la defenia aferrissadament. Esta es basa a suposar que les partícules fonamentals no són partícules sense estructura interna, sinó estats vibracionales d'un objecte més bàsic anomenat entenimentada.

Cada partícula es manifesta mitjançant un estat vibracional diferent de la corda. Perquè funcione, a més de les quatre dimensions clàssiques (tres espacials i una temporal), es necessiten sis més, inobservables en la pràctica, encara que, de funcionar, això no seria cap inconvenient.

La segona teoria unificadora que més adeptes té és la gravetat quàntica de llaços o de bucles, defesa en The Big bang Theory per Leslie Winkle, coneguda archienemiga de Sheldon Cooper. Fins i tot trobant-se inacabada, ha collit alguns èxits. Planteja que l'espaitemps té una estructura discreta a escales minúscules, de l'orde de la longitud de Planck.

Altres teories que perseguixen la unificació de la relativitat general i la mecànica quàntica són la supergravedad, la teoria de supercuerdas, la teoria M, la teoria de la gravetat emergent, la teoria de la gravetat quàntica asintóticamente segura, la geometria no commutativa, la teoria twistorial, la gravetat quàntica induïda o la teoria de variables quàntiques gravitatòries.

Totes elles treballen en la línia de quantificar la relativitat general perquè funcione a escales atòmiques i, encara que algunes d'elles han aconseguit èxits, queden lluny de convertir-se en la teoria del tot.

Una ferramenta cap a la unificació: el Tensor Alena

La major part dels esforços duts a terme en la busca d'una teoria de la gravetat quàntica s'han centrat fins ara a intentar quantificar la gravetat.

No obstant això, la pedra filosofal de la proposta publicada pels físics de les Universitats de Varsòvia i Cracòvia és un tensor que han anomenat “Tensor Alena”. Adopta un enfocament completament oposat: transforma l'espaitemps corbat en un espaitemps pla (com estirar la corfa d'una taronja) de manera que es mantinguen matemàticament els resultats que la relativitat general i, a continuació, apliquen sobre este espai pla les ferramentes conegudes de la mecànica quàntica.

En el article, els autors deriven les equacions quàntiques que descriuen el sistema físic complet, incloent totes les forces.

Resulta que estes equacions coincidixen amb les tres principals equacions quàntiques conegudes fins ara, i este fet porta a una conclusió completament inesperada: la gravetat ha sigut present en la mecànica quàntica des del principi i no havíem sabut veure'l.

Tot això continuarà, i continuarem explicant-ho.

Francisco José Torcal Milla, Professor Titular. Departament de Física Aplicada. Centre: EINA. Institut: I3A, Universitat de Saragossa

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.

* Ho pots llegir perquè som : * Creative Commons