¿Por qué la gravedad es tan débil en comparación con las otras cuatro fuerzas fundamentales?
Incluso si fuera mil millones de veces más fuerte, seguiría siendo la fuerza más débil, por un factor de mil millones de billones. La extraña debilidad de la gravedad sobresale, casi exigiendo una respuesta.
Extrañamente, la solución a la debilidad de la gravedad puede no estar en la propia gravedad, sino en la mecánica del bosón de Higgs y la naturaleza misma del espacio-tiempo.
El problema de la jerarquía
Levanta una hoja de papel. Felicidades, has contrarrestado con éxito el poder gravitacional combinado de todo el planeta.
No tomó mucho esfuerzo porque gravedad es, con mucho, el más débil de los cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Según una medida, la gravedad es mil billones de billones de veces más débil que la fuerza nuclear fuertela más fuerte de todas las fuerzas.
Relacionado: Gravedad artificial: definición, tecnología futura e investigación
Aquí hay otra forma de imaginar la verdadera escala de la debilidad de la gravedad. Hay un límite para el agujero negro más pequeño posible que se puede construir, y se llama Masa de tablones. Puede calcularlo tomando la raíz cuadrada de la constante de Planck reducida multiplicada por la velocidad de la luz dividida por newton‘s G. Esa masa es de alrededor de 10^-8 kilogramos. Si la gravedad fuera fuerte, si la G de Newton fuera más grande, entonces podrías crear agujeros negros aún más pequeños y livianos.
En comparación, los bosones W y Z, los portadores de fuerza de la fuerza nuclear débil, son aproximadamente 10 cuatrillones de veces más ligeros que la masa de Planck. Entonces, la fuerza nuclear débil, la siguiente fuerza más poderosa después de la gravedad, es cuatrillones de veces más fuerte que la gravedad.
Este “problema de jerarquía” parece extraño para la mayoría de los físicos. Claro, podría ser simplemente la forma en que es el universo, sin necesidad de una explicación, pero eso no es muy satisfactorio. En cambio, parece una oportunidad para profundizar en la física de las fuerzas fundamentales y ver si hay algo nuevo que podamos aprender.
¿Qué está pasando con el Higgs?
Dejemos de lado el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte y comparemos la gravedad con su rival “más cercano”, la fuerza nuclear débil. Quizás si podemos responder por qué la fuerza nuclear débil es tan impresionantemente más fuerte que la gravedad, podemos entender la imagen completa.
No tenemos idea de por qué la gravedad tiene la fuerza que tiene. No hay nada que aparezca en ninguna teoría de la física para explicar su fuerza. Pero hay algo que parece explicar las propiedades de la fuerza nuclear débil, y esa es la bosón de Higgs.
El bosón de Higgs es el campo que empapa todo tiempo espacial y obliga a muchas otras partículas, como los electrones, a interactuar con él. Esa interacción hace que esos electrones adquirir masa. Cuanto más algo interactúa con el Higgs, mayor masa tiene.
Entre las muchas partículas que interactúan con el bosón de Higgs están los bosones W y Z, y es a través de esa interacción que adquieren masa. Y es el masa de los bosones W y Z eso establece las propiedades de la fuerza nuclear débil, porque son esas mismas partículas las que están haciendo el trabajo.
¿Y qué determina la masa de todas las partículas que interactúan con el Higgs? Pues, nada menos que la masa del propio Higgs. Si tuviera una masa diferente, todas las demás partículas, incluidos los bosones W y Z, cambiarían.
Ahora es un buen momento para señalar que la masa del bosón de Higgs es extremadamente extraña. Es grande, alrededor de 250 GeV, que es grande para las partículas, pero no enorme. Tampoco es diminuto. De hecho, una ingenua comprensión mecánica cuántica de cómo funciona el Higgs predice que todas las interacciones en las que participa constantemente, lo cual es mucho – se cancelarían perfectamente entre sí, enviando su masa a cero, o se reforzarían entre sí, aumentando su masa hasta algún punto cercano al infinito.
Algo está causando que el bosón de Higgs se ajuste con precisión dentro de un rango “aceptable” que mantiene todo cuerdo. Pero ese bosón de Higgs limita los bosones W y Z a sus pequeños valores, lo que permite que la fuerza nuclear débil sea mucho, mucho más fuerte que la gravedad.
En otras palabras, la gravedad es la fuerza más débil del universo no porque haya algo malo con la gravedad, sino porque la fuerza débil está ‘haciendo trampa’.
Un pequeño giro al espacio-tiempo
No existe una solución aceptada para el estado antinatural de la masa de Higgs y, por lo tanto, no existe una solución aceptada para el problema de la jerarquía y la extraña debilidad de la gravedad.
Pero toda esta discusión asume que estamos calculando todo correctamente: la masa de Higgs, la masa de Planck, etc. Tal vez nos estamos perdiendo algo fundamental sobre el universo.
Entre las muchas soluciones potenciales, algunas ideas cuestionan nuestra comprensión de la estructura misma del espacio-tiempo. Teoria de las cuerdas ya ha preparado la bomba para tales ideas, lo que requiere la existencia de nuevas dimensiones espaciales compactas para que las matemáticas de la teoría salgan bien.
Pero en la teoría de cuerdas, esos dimensiones adicionales son súper pequeños, enrollados en pequeñas formas apretadas no más grandes que la longitud de Planck.
Sin embargo, es posible que algunas de esas dimensiones adicionales sean un poco más grandes. Estas teorías generalmente se denominan “grandes dimensiones adicionales”, pero esas dimensiones adicionales no son tan grandes como podría pensar, solo un milímetro más o menos.
En estas teorías, las otras tres fuerzas de la naturaleza están restringidas a nuestro universo tridimensional normal, que a veces se denomina “brana”. Sin embargo, la gravedad llega a extender su alcance a través de todas las dimensiones, denominadas “bulto”. Desde este punto de vista, la gravedad es igual de fuerte, ¡si no más fuerte! – que las otras fuerzas, pero se ve obligado a extenderse en más dimensiones que cualquier otra persona. Así que parece más débil para nuestros experimentos tridimensionales.
Hemos probado la gravedad con niveles increíbles de precisión, pero no necesariamente a escalas tan pequeñas. Si nuestro universo tuviera dimensiones espaciales extra “grandes”, entonces comenzaríamos a ver cosas raras que suceden a distancias de menos de un milímetro.
Por ejemplo, podríamos ver que la gravedad actúa más fuerte de lo esperado a distancias pequeñas, porque no ha habido posibilidad de que se “filtre” a las dimensiones adicionales. O podríamos empezar a hacer diminutos agujeros negros en nuestros colisionadores de partículas, porque a esas pequeñas escalas sería más fácil de lo que pensábamos construir un agujero negro.
Hasta ahora, ningún experimento hasta la fecha ha encontrado evidencia de dimensiones adicionales. Y la gravedad sigue siendo frustrantemente débil.
Obtenga más información escuchando el podcast “Ask a Spaceman”, disponible en itunes (se abre en una pestaña nueva) otro askaspaceman.com (se abre en una pestaña nueva). Haz tu propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @PaulMattSutter (se abre en una pestaña nueva) otro facebook.com/PaulMattSutter (se abre en una pestaña nueva).
Recursos adicionales
Para obtener más información sobre la gravedad, consulte “El ascenso de la gravedad: la búsqueda para comprender la fuerza que lo explica todo“ (se abre en una pestaña nueva) por Marcus Chown y “La realidad no es lo que parece: el viaje a la gravedad cuántica“ (se abre en una pestaña nueva) de Carlo Rovelli.
Bibliografía
- Kapil Chandra, “¿Por qué la gravedad es una fuerza débil de la naturaleza? (se abre en una pestaña nueva)“, Revista de física de alta energía, gravitación y cosmología (se abre en una pestaña nueva)Volumen 6, julio de 2020.
- Daniel Harlow, y otros, “La conjetura de la gravedad débil: una revisión (se abre en una pestaña nueva)“, Física de altas energías – Teoría, enero de 2022.
- Shahar Hod, “Una prueba de la conjetura de la gravedad débil (se abre en una pestaña nueva)“, Revista Internacional de Física Moderna D, Volumen 26, junio de 2017.
- preocupación, “El bosón de Higgs (se abre en una pestaña nueva)“, consultado en junio de 2022.
- preocupación, “El bosón Z (se abre en una pestaña nueva)“, consultado en junio de 2022.
- preocupación, “Bosón W: Sol y polvo de estrellas (se abre en una pestaña nueva)“, consultado en junio de 2022.
- Sociedad Nacional del Espacio”,que es la gravedad (se abre en una pestaña nueva)“, consultado en junio de 2022.
