jueves, 2 de noviembre de 2017

Nuevo modelo gravitatorio

Continuos colapsos generados por “flashes” aleatorios podrían producir una modificación de la densidad de masa que sería la fuente del campo gravitatorio.

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Sumergirse en los ArXiv de Cornell puede deparar todo tipo de sorpresas, algunas agradables y otras no tanto. Pero, al menos, hay que reconocer que hay trabajos originales y atrevidos. También hay que ser cautos y darse cuenta de que, al menos en Física Teórica, se trata muchas veces de meras hipótesis que lo más probable es que sea incorrectas. Pero si no hay atrevimiento no podremos avanzar y no todo van a ser la metafísicas cuerdas.
Hace unos días Antoine Tilloy (Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania) colgó en los ArXiv un trabajo interesante y falsable sobre la relación entre Mecánica Cuántica (MC) y gravedad.
Como todos sabemos, la Física habla dos idiomas completamente distintos. Por una lado está el de la MC que dedica a describir el mundo de lo muy pequeño y, por otro lado, el de la Relatividad General, que describe la gravedad. Estos dos pilares de Física llevan sin reconciliarse desde hace 80 años. O uno de ellos o los dos tienen que ser descripciones incompletas de la realidad.
La nueva idea introducida por Tilloy sugiere que la gravedad podría emerger de fluctuaciones aleatorias a nivel cuántico, por lo que la MC sería la teoría más fundamental y la gravedad un subproducto. Normalmente se asume que para reconciliar MC y RG hay que cuantizar la gravedad, pero hasta ahora esto no se ha conseguido.
En MC una partícula es descrita por su función de onda, un ente matemático que “vive” en un espacio de Hilbert. Esta función de onda puede ser incluso compleja (tener parte imaginaria desde el punto de vista matemático), pero da valores reales cuando se calcula el valor esperado de un observable físico (gracias a un operador autoadjunto en el espacio de Hilbert) de un modo similar a como se calculan los valores esperados en Estadística.
Pero la función de ondas puede estar en una superposición de estados (el gato puede estar vivo y muerto a la vez). Cuando se efectúa una medición entonces la función de ondas colapsa a uno de esos estados y queda fijado. Incluso una partícula puede estar deslocalizada en el espacio (la función de onda es algo extenso no puntual) y cuando se mide su función colapsa y entonces su posición queda fijada. De hecho, antes de la medición la partícula, como tal ente puntual, no parece existir.
Este asunto del colapso de la función de ondas ha traído de cabeza a los físicos durante décadas, pero ahora se acepta que cualquier proceso irreversible puede provocar la decoherencia y colapsar la función de ondas, no es necesaria la conciencia del experimentador ni ninguna cosa similar. Esta línea de pensamiento esotérico da lugar a paradojas como la del gato de Schrödinger. El problema es y siempre ha sido definir lo que es “medición”.
Una posible solución a este problema es el modelo GRW (Ghirardi-Rimini-Weber) desarrollado a finales de los 80 del pasado siglo y en el que se basa este trabajo de Tilloy. El nuevo modelo incorpora “flashes” que, de manera espontánea y aleatoria, colapsan la función de ondas de los sistemas cuánticos. El resultado final, lo que medimos, es el mismo que se observa en el laboratorio, pero sin la necesidad de observadores o experimentadores que activamente colapsen esas funciones de onda.
Tilloy ha modificado el modelo GRW para que mostrar que puede dar lugar a la gravedad. Según él, cuando uno de estos flashes colapsa la función de onda de una partícula y obliga a esta a estar en un sitio en concreto, entonces se crea un campo gravitacional en ese punto del espacio-tiempo. Básicamente, el colapso espontáneo de los sistemas cuánticos crea el campo gravitacional en un instante del espacio-tiempo. Los continuos colapsos producen una modificación de la densidad de masa que sería la fuente del campo gravitatorio.
A nivel formal, la propuesta implementa la gravedad como una medida continua en un esquema de retroalimentación sobre la materia cuántica.
Lo interesante es que el promedio de estos efectos produce un campo gravitatorio que concuerda con la ley de gravitación de Newton, por lo que esta aproximación a una gravedad unificada se puede denominar semiclásica, pues, aunque la gravedad aparece a través de un proceso cuántico, sigue siendo una fuerza clásica, incluso newtoniana y no relativista.
El modelo conserva la interpretación estadística de los estados cuánticos, a diferencia de las aproximaciones de campo medio. Además, el modelo tiene la ventaja de ser falsable. Así, por ejemplo, predice que la gravedad se comportará de manera diferente a escala atómica que a grandes escalas. Es decir, la fuerza de gravedad de Newton que va con el inverso del cuadrado de la distancia se quebraría a escalas de 10-7 m (una décima de micra). Además, las partículas no se atraería a ellas mismas gravitatoriamente. Y, finalmente, la gravedad provocaría decoherencias en las superposiones espaciales a una tasa que sería inversamente proporcional a lo que dicta el modelo GRW ingenuo.
Obviamente es un principio. Es verdad que, como dice Tilloy, no hay razones para ignorar esta aproximación semiclásica y que la gravedad sea clásica a nivel fundamental. Pero también es verdad que no se trata de una teoría final. Tilloy dice que es un “toy model” (modelo de juguete), una prueba de principios de que la idea podría funcionar, pero que no está finalizada. Aunque la descripción newtoniana sea correcta a cierto regímenes, todos sabemos que la realidad gravitatoria está mejor descrita por la RG y las matemáticas de esta no aparecen en ningún sitio en el modelo de Tilloy, algo que admite él mismo.
Si teorías semiclásicas de este tipo se pudieran extender hasta conseguirse la descripción de la gravedad de la RG de un modo convincente (y menos ad hoc), entonces se habrá avanzado mucho en la comprensión del asunto. Esto nos diría entonces que el espacio-tiempo curvo y la materia cuántica no sólo cohabitarían a su nivel más profundo.
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