La búsqueda de una teoría fundamental de la gravedad cuántica.
Las singularidades de los agujeros negros y del Big Bang desafían nuestra teoría de la gravedad más avanzada. Un conjunto de teoremas sugiere que los físicos deben explorar los límites del espacio y del tiempo para encontrar una solución.
La física enfrenta dos misterios perturbadores: el origen del universo y el centro de un agujero negro. A pesar de que uno parece estar anclado en un momento temporal y el otro en un punto espacial, ambos representan singularidades donde los hilos de espacio y tiempo, que normalmente se entrelazan, se rompen. Estas singularidades son predicciones de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, la cual sostiene que las concentraciones de masa o energía curvan la estructura del espacio-tiempo, generando la fuerza de la gravedad. Cuando suficiente materia se compacta en un espacio reducido, las ecuaciones de Einstein sugieren que la curvatura del espacio-tiempo puede volverse infinitamente pronunciada, resultando en una gravedad que también se torna infinita.
Sin embargo, muchos físicos consideran que las singularidades son más "artefactos matemáticos" que realidades físicas, como afirma Hong Liu del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Se espera que una teoría más fundamental de la gravedad, que supere el modelo de espacio-tiempo de Einstein, elimine estas singularidades.
A medida que los científicos buscan esta teoría más completa al unificar la relatividad general y la física cuántica, las singularidades han demostrado ser persistentes. Roger Penrose, físico británico galardonado con el Premio Nobel, demostró en los años 60 que las singularidades inevitablemente surgirían incluso en un universo vacío compuesto solo de espacio-tiempo. Investigaciones más recientes han confirmado que incluso los universos teóricos con partículas cuánticas presentan singularidades, sugiriendo que tal vez estas anomalías son más que simples ilusiones matemáticas y podrían indicar puntos en el universo donde el espacio-tiempo se descompone.
Los descubrimientos de Penrose y otros investigadores resaltan que estos fenómenos no son meros fallos de la teoría, sino que puede haber componentes del universo donde el espacio-tiempo se vuelve irreconocible. Esto propone que en esos lugares, las leyes de la física tal como las entendemos podrían no funcionar, ya que no habría materiales que pudieran atravesar esas áreas y los relojes se detendrían.
Karl Schwarzschild definió en 1916 una solución de espacio-tiempo que incluía una singularidad. Decenios más tarde, Penrose mostró que, bajo ciertas condiciones, el espacio-tiempo debe terminar en singularidades. Este hallazgo, presentado en un artículo que muchos consideran crucial para la relatividad, estipulaba que la luz dentro de una "superficie atrapada" no podía escapar, lo que significa que su trayectoria terminaría solo en una singularidad.
Stephen Hawking amplió el trabajo de Penrose, afirmando que el universo general debe haber surgido de un punto singular durante el Big Bang. Aunque existe abundante evidencia de la existencia de agujeros negros y de un evento tipo Big Bang, muchos científicos se preguntan si realmente representan singularidades.
La teoría de la relatividad, al ser un modelo clásico, limita el espacio-tiempo a una sola forma en cualquier momento, mientras que la materia en el ámbito cuántico puede existir en múltiples estados simultáneamente. Esto implica que, para combinar estos dos modelos y desarrollar una teoría de gravedad cuántica, sería necesario modificar la forma en que ambas afectan la realidad.
Algunos físicos han comenzado a explorar cómo pueden las interacciones cuánticas resguardarlas de singularidades, buscando un modo de integrar efectos de energía negativa y presencia de partículas cuánticas. Recientes contribuciones al área sugieren que inclusive con correcciones cuánticas menores, las singularidades no pueden ser evitadas dentro de ciertos entornos, lo que destaca que los puntos de singularidad, aún en entornos cuánticos, continúan existiendo.
Aunque persiste el debate sobre la verdadera naturaleza de estos puntos singulares y su relación con nuestro universo, muchos físicos creen que, mientras más se profundice en la comprensión cuántica del espacio-tiempo, se podrá obtener una visión más clara de lo que son realmente estas singularidades, lo que abriría la puerta a un nuevo entendimiento de la gravedad a nivel fundamental.
