Gravitón

La hipótesis es que las interacciones gravitatorias están mediadas por una partícula elemental aún no descubierta, denominada gravitón. Las otras tres fuerzas conocidas de la naturaleza están mediadas por partículas elementales: el electromagnetismo por el fotón, la interacción fuerte por los gluones y la interacción débil por los bosones W y Z. Estas tres fuerzas parecen estar descritas con precisión por el Modelo Estándar de la física de partículas. En el límite clásico, una teoría exitosa de los gravitones se reduciría a la relatividad general, que a su vez se reduce a la ley de gravitación de Newton en el límite del campo débil.

El término gravitón fue acuñado originalmente en 1934 por los físicos soviéticos Dmitrii Blokhintsev y F.M. Gal’perin.

Gravitones y renormalizaciónEditar

Cuando se describen las interacciones de los gravitones, la teoría clásica de los diagramas de Feynman y las correcciones semiclásicas como los diagramas de un bucle se comportan normalmente. Sin embargo, los diagramas de Feynman con al menos dos bucles conducen a divergencias ultravioletas. Estos resultados infinitos no pueden eliminarse porque la relatividad general cuantizada no es perturbativamente renormalizable, a diferencia de la electrodinámica cuántica y de modelos como la teoría de Yang-Mills. Por tanto, se encuentran respuestas incalculables a partir del método de perturbación por el que los físicos calculan la probabilidad de que una partícula emita o absorba gravitones, y la teoría pierde veracidad predictiva. Esos problemas y el marco de aproximación complementaria son motivos para mostrar que se requiere una teoría más unificada que la relatividad general cuantizada para describir el comportamiento cerca de la escala de Planck.

Comparación con otras fuerzasEditar

Al igual que los portadores de fuerza de las otras fuerzas (véase fotón, gluón), la gravitación desempeña un papel en la relatividad general, al definir el espaciotiempo en el que tienen lugar los acontecimientos. En algunas descripciones, la energía modifica la «forma» del propio espaciotiempo, y la gravedad es un resultado de esta forma, una idea que a primera vista puede parecer difícil de encajar con la idea de una fuerza que actúa entre partículas. Dado que la invariancia del difeomorfismo de la teoría no permite señalar ningún fondo espacio-temporal concreto como el «verdadero» fondo espacio-temporal, se dice que la relatividad general es independiente del fondo. En cambio, el Modelo Estándar no es independiente del fondo, y el espacio de Minkowski goza de un estatus especial como espacio-tiempo de fondo fijo. Se necesita una teoría de la gravedad cuántica para conciliar estas diferencias. Si esta teoría debe ser independiente del fondo es una cuestión abierta. La respuesta a esta pregunta determinará nuestra comprensión del papel específico que desempeña la gravitación en el destino del universo.

Los gravitones en las teorías especulativasEditar

La teoría de cuerdas predice la existencia de gravitones y sus interacciones bien definidas. Un gravitón en la teoría de cuerdas perturbativa es una cuerda cerrada en un estado vibracional de baja energía muy particular. La dispersión de los gravitones en la teoría de cuerdas también puede calcularse a partir de las funciones de correlación en la teoría de campos conformes, como dicta la correspondencia AdS/CFT, o a partir de la teoría de matrices.

Una característica de los gravitones en la teoría de cuerdas es que, como cuerdas cerradas sin extremos, no estarían ligadas a las branas y podrían moverse libremente entre ellas. Si vivimos en una brana (tal y como se hipotetiza en las teorías de las branas), esta «fuga» de gravitones desde la brana hacia un espacio de mayor dimensión podría explicar por qué la gravitación es una fuerza tan débil, y los gravitones de otras branas adyacentes a la nuestra podrían proporcionar una explicación potencial de la materia oscura. Sin embargo, si los gravitones se movieran con total libertad entre las branas, esto diluiría demasiado la gravedad, provocando una violación de la ley del cuadrado inverso de Newton. Para combatir esto, Lisa Randall descubrió que una tres-brana (como la nuestra) tendría una atracción gravitatoria propia, impidiendo que los gravitones se desplacen libremente, lo que posiblemente daría lugar a la gravedad diluida que observamos, manteniendo aproximadamente la ley del cuadrado inverso de Newton. Véase la cosmología de las branas.

Una teoría de Ahmed Farag Ali y Saurya Das añade correcciones mecánicas cuánticas (mediante trayectorias de Bohm) a las geodésicas relativistas generales. Si se da a los gravitones una masa pequeña pero no nula, podría explicar la constante cosmológica sin necesidad de energía oscura y resolver el problema de la pequeñez. La teoría recibió una mención de honor en el concurso de ensayos de 2014 de la Gravity Research Foundation por explicar la pequeñez de la constante cosmológica. También la teoría recibió una Mención de Honor en el Concurso de Ensayos de 2015 de la Gravity Research Foundation por explicar de forma natural la homogeneidad e isotropía a gran escala observadas en el universo debido a las correcciones cuánticas propuestas.