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El Enfoque detrás de las líneas de investigación adoptadas.
La relatividad general y la mecánica cuántica conforman los dos grandes pilares de la física contemporánea. Ambas teorías son sumamente exitosas en sus respectivos dominios de aplicación. Sin embargo, es claro que una teoría fundamental de lo que entendemos como naturaleza, ha de incorporar ambos aspectos de manera unificada. Esto ha hecho de la búsqueda de una teoría cuántica de la gravitación el “cáliz sagrado” al que se han abocado un buen número de físicos teóricos de las recientes generaciones. Los enfoques que se han privilegiado, en este sentido, están basados en lo que llamamos un acercamiento de “abajo hacia arriba”. En dichos enfoques se propone una teoría fundamental con las características deseadas, como la Gravedad Cuántica de Lazos o la Teoría de Cuerdas, o bien, los Conjuntos Causales o la Triangulación Dinámica, en cuyo contexto se trata de encontrar conexiones que permitan evaluar su viabilidad empírica y autoconsistencia matemática. Ciertamente es un camino respetable, pero requiere depositar mucha confianza en que uno está lidiando con la propuesta correcta. En contraste, el camino que nosotros tomamos se basa en la idea de atacar el problema desde un enfoque que llamamos “de arriba hacia abajo”. La propuesta es buscar y analizar aspectos y situaciones específicas en las que tanto la gravitación como la cuántica jueguen un papel relevante, esto con el fin de encontrar pistas, ya sea empíricas o conceptuales, acerca de la manera en que estos dos aspectos han de fundirse en una teoría unificada.
Consideramos que este enfoque es, en cierto sentido, la emulación de los caminos seguidos por A. Einstein quien, antes de formular sus teorías, se apoyó en experimentos pensados seguidos de un profundo análisis de los cambios conceptuales que se requerirían, para que sus formulaciones fueran auto-consistentes y capaces de explicar las bases empíricas de nuestras teorías físicas (e.g., la inercia, la equivalencia de los distintos marcos de referencia, etc.).
De manera más específica, estas ideas nos han llevado a explorar varios problemas concretos relativos a los regímenes donde es relevante la intersección de la cuántica y la gravitación. La exploración está basada primordialmente en la consideración simultánea de las dos teorías que consideramos más robustamente establecidas en base a sus éxitos empíricos, la relatividad general clásica y la teoría cuántica de campos (sobre la que subyace el Modelo Estándar de la Física de Partículas, es decir la física de la materia). El enfoque entonces pasa por la gravitación semi-clásica, en que se trata al espacio-tiempo en términos clásicos, y a la materia en términos cuánticos ( usando la teoría cuántica de campos en espacio-tiempos curvos). Cabe aclarar acá que no se trata de tomar esta formulación como una teoría final, sino simplemente como una aproximación que ha de tener un cierto rango de validez, pero que ciertamente ha de requerir correcciones más importantes mientras más profundo nos tratamos de adentrar en el mundo desconocido donde ha de imperar la gravedad cuántica. Es decir, tomamos la gravedad semi-clásica como un punto de partida para las exploraciones que nos han de indicar modificaciones requeridas para extender, al menos un poco, su régimen de aplicabilidad. Sin embargo, consideramos que esto hay que hacerlo sin olvidar un problema fundamental que aflige a la teoría cuántica en general, el famoso ``Problema de la Medición” [Revisar el capítulo 3 de Link ] que es evidente en la llamada Interpretación de Copenhagen (pero que no exenta de este problema a otras interpretaciones [Link 1, Link 2]). En este sentido, esta línea de investigación nos lleva a considerar los estudios sobre fundamentos de la cuántica, tema generalmente considerado como de interés ``meramente filosófico” (descripción con connotación despectiva que rechazamos enfáticamente), como un aspecto central de nuestro enfoque. Esto nos ha llevado a interactuar intensamente con filósofos de la física y adentrarnos en dicha temática [Revisar artículos: 76, 77 79, 80, 85, 86, 87, 88, 90, 92, 94, 97, 101 y 108 de la sección: Publicaciones] . Una de las lecciones más importantes al respecto proviene de un trabajo de T. Maudlin [Link] en que muestra la incompatibilidad lógica de los siguientes tres postulados: a) Los estados cuánticos ofrecen descripciones completas de la situación para cualquier sistema físico. b) La evolución de dichos estados cuánticos se rige siempre por la ecuación de Schrödinger. c) Experimentos específicos concretos siempre dan resultados específicos ( notar que no se está suponiendo nada sobre si estos resultados son predecibles o no). Sus negaciones llevan respectivamente a: a’) Teorías con “variables ocultas”, ejemplificadas por la teoría de la onda guía de-Brogile-Bohm, b’) Modificaciones de la ley de evolución, que suelen involucrar colapsos dinámicos espontáneos como GRW [Link 1, Link 2] o CSL [Link], y finalmente c’) Teorías tipo Muchos Mundos [Link 1], Muchas Mentes o versiones como ``la teoría de historias consistentes” ( que resulta tener serios problemas [Link 1, Link 2 ]). En mi opinión, los caminos más prometedores corresponden a las opciones a’) y b’). En los contextos en que se las trata de usar en conjunto con la gravitación se cuenta ya con exploraciones en ambos caminos. La primera representada por trabajos como [Link 1,Link 2 ] y la segunda por los trabajos de varios grupos [Link ][Link ][Link ][Link ][Link ], entre los que también nos encontramos mis colaboradores y yo.
Entre estos el problema al que más esfuerzos hemos dedicado es el del origen de las semillas de estructura cósmica a partir de fluctuaciones cuánticas durante el periodo inflacionario del universo. El asunto es que aunque el paradigma resulta notablemente exitoso, el tratamiento usual del tema involucra un aspecto bastante problemático que se conecta con el famosos problema de la medición en la mecánica cuántica. El punto (enfatizado en [Link] ) es que el uso tradicional de la mecánica cuántica en esta situación (aparte de los problemas intrínsecos de la interpretación de Copenhague) no permite responder a una pregunta fundamental: si la situación física en épocas relativamente tempranas de la era inflacionaria está descrita como algo completamente homogéneo e isotrópico, y la dinámica no involucra nada que rompa dicha simetría, cuál es exactamente el proceso físico por el cual nuestro universo genera las inhomogeneidades y anisotropías que caracterizan su estructura actual (cúmulos galácticos, galaxias, estrellas, planetas, etc.) y que vemos reflejados en las espectaculares imágenes de la radiación cósmica de fondo. El asunto es ciertamente objeto de intensas discusiones de modo que, para beneficio del lector, ponemos a su disposición las respuestas más comunes al dilema ofrecidas por cosmólogos, así como nuestras objeciones [Link]. Por otro lado, y sorpresivamente, nuestra línea de investigación ofrece un camino para resolver [Link 1, Link 2] uno de los mayores problemas que enfrenta la propuesta básica de la inflación cósmica: la tensión generada por las predicciones acerca de la generación de ondas gravitacionales primordiales, en paralelo con la generación de las inhomogeneidades e anisotropías en la densidad [Link], y la no detección de las mismas en los estudios sobre los denominados modos B de polarización de la radiación cósmica de fondo [Link].
Otro tema al que hemos dedicado bastante trabajo es la comúnmente denominada “paradoja de la información” referente al proceso de evaporación mediante radiación de Hawking de los agujeros negros [Link 1, Link 2]. El centro del asunto es el supuesto conflicto entre la evolución unitaria (que entre otras cosas asegura la retro- predictibilidad ) característica de la mecánica cuántica [Revisar pp. 68-73 de Link, o bien el complemento F(III) de Link], con el proceso de evaporación de un agujero negro mediante la emisión de radiación térmica que no parece capaz de codificar los detalles del estado inicial que dio lugar a la formación del agujero negro [Revisar la sección 2 de Link]. Nuestro trabajo en el tema incluye un análisis detallado de las condiciones y suposiciones que se requieren para que en realidad estemos enfrentando una paradoja [Link], así como una serie de estudios detallados de varios aspectos y también una propuesta de resolución de las aparentes dijuntivas [Link 1, Link 2, Link 3] en base a los esquemas considerados para lidiar con las dificultades conceptuales básico de la teoría cuántica, usualmente conocidas como “ los problemas de la medición o de la realidad” [Link ].
Otros asuntos en que consideramos pueden jugar un papel importante estas ideas incluyen el origen último de la primera ley de la termodinámica de acuerdo a las consideraciones de Roger Penrose [Link ] y otros, respecto a la caracterización del estado inicial del universo. En este sentido lo que proponemos es una plausible explicación dinámica [Link] de lo que, según R. Penrose, serviría como el postulado fundamental acerca de las características de dicho estado inicial [Revisar el libro: Link].
Más recientemente nos hemos enfocado en varios aspectos relacionados con la ley de conservación de la energía a nivel local, caracterizada dentro de la relatividad general por la nulidad de la divergencia del tensor energía-momentum. Por un lado, un análisis presentado en [Link ] indica que las propuestas más representativas de los tres caminos para lidiar con el problema de la medición nos obligan genéricamente a aceptar que dicha ley no puede ser completa y absolutamente válida. Por otro lado, la búsqueda de una manera de tratar efectivamente ese tipo de situaciones en el contexto gravitacional, nos ha llevado a considerar una teoría levemente modificada de la relatividad general, conocida como gravedad unimodular [Link 1, Link 2]. En este enfoque las violaciones a la ley de conservación antes mencionada llevan a la generación de contribuciones a algo que se comporta, en tiempos tardíos de la evolución cosmológica, como la constante cosmológica (o ``energía obscura” que como se sabe parece representar el 70% del contenido del universo). De hecho, un enfoque fenomenológico particular, motivado por consideraciones provenientes de la gravedad cuántica, lleva a un cálculo de dicho valor que coincide en orden de magnitud con el valor empíricamente observado [Link ].
Con este tipo de estudios se busca aislar dificultades conceptuales, así como identificar posibles conflictos con datos empíricos, que pudieran tener origen en la problemática de la concatenación de tratamientos derivados de las dos teorías y que nos puedan orientar hacia su resolución y abrir el panorama a nuevas preguntas.
