¿Cómo sabe la Tierra cuándo enviar un gravitón a una partícula recién nacida?

Me temo que el relato que ha leído es muy engañoso, aunque es solo uno de muchos relatos engañosos. Lamentablemente, la prensa de divulgación científica con frecuencia induce a error de esta manera.

Si cuantificamos la gravedad utilizando el enfoque habitual de la teoría cuántica de campos, obtenemos una partícula llamada gravitón. En términos generales, el gravitón es el cuanto de la onda gravitacional, es decir, cuando se crea o absorbe una onda gravitatoria, este proceso implica la creación y absorción de gravitones. Estos gravitones son partículas reales que transportan energía y momento y, en principio, pueden detectarse, aunque en la práctica son tan difíciles de detectar que es poco probable que alguna vez se logre.

Pero, y este es el punto clave para entender, estos gravitones reales no están involucrados en la fuerza gravitatoria. Cuando dos partículas experimentan una atracción gravitacional, no está siendo causada por estos gravitones reales.

Entonces, ¿qué está pasando realmente?

Cuando cuantizamos la gravedad, promovemos el campo gravitacional clásico a un campo cuántico. Este campo existe en todas partes en el espacio-tiempo y puede transportar energía y cantidad de movimiento, y en particular puede intercambiar energía y cantidad de movimiento con cualquier partícula que tenga masa. Es este intercambio el responsable de la fuerza gravitatoria. El problema es que las ecuaciones que describen la interacción con el campo son demasiado difíciles de resolver exactamente, por lo que tenemos que recurrir a una aproximación llamada teoría de la perturbación. Específicamente, describimos la interacción como si se debiera a gravitones virtuales y calculamos la fuerza de la interacción considerando todas las formas en que estos gravitones virtuales pueden intercambiar energía y cantidad de movimiento.

Pero pero pero ...

Estos gravitones virtuales no existen , por eso usamos la descripción virtual . Son un truco computacional que usamos para sortear la dificultad de las ecuaciones. La fuerza gravitacional no se debe a enjambres de gravitones virtuales que vuelan de un lado a otro entre las masas que interactúan. Si alguna vez logramos construir una teoría de la gravedad cuántica que no dependa de un enfoque perturbativo aproximado, entonces esa teoría no tendrá gravitones virtuales y las futuras generaciones de escritores de divulgación científica tendrán que encontrar alguna otra forma de engañar al público.

En su ejemplo, la partícula recién creada puede comenzar a interactuar inmediatamente con el campo cuántico de gravedad porque el campo cuántico existe en todas partes en el espacio-tiempo, es decir, en todo el espacio y durante todo el tiempo. La partícula no tiene que esperar a que otra masa detecte su presencia y comience a arrojarle gravitones.

El marco subyacente de la naturaleza, hasta donde hemos descubierto y modelado, es la mecánica cuántica, y el intercambio de partículas es parte del modelado de la mecánica cuántica.

En mecánica cuántica, se trabaja con funciones de onda para calcular la probabilidad de que ocurra una interacción, en su caso, que aparezca una nueva partícula en la interacción. Su pregunta podría reformularse como: "¿cómo sabe el protón que se dispersa en un protón en el LHC cuándo crear un Higgs?". El conocimiento a nivel de partículas está contenido en los modelos matemáticos que han descrito con éxito los datos de la física de partículas hasta ahora.

La interacción gravitacional generalmente se ignora, y al calcular las interacciones potenciales entre las partículas entrantes para ver cuál es la probabilidad de obtener la nueva partícula, las ecuaciones tienen en cuenta los potenciales electromagnéticos, o débiles o fuertes, ya que el gravitatorio es muy muy pequeño en comparación. 10^-33 de la fuerza débil.

Si uno puede calcular con tal precisión, y si se asume la cuantificación efectiva de la gravedad, entonces uno debe incluir el potencial gravitatorio en el cálculo de las funciones de onda que darán la probabilidad de que aparezca la nueva partícula. Habría diagramas con un intercambio de gravitones.

Entonces, la respuesta es que el campo gravitatorio de la Tierra intercambiará un gravitón virtual con la partícula recién generada, aumentando exponencialmente la complejidad cuando se piensa en términos de diagramas de Feynman y partículas de intercambio.

No es necesario entrar en este detalle debido al efecto muy pequeño de la gravedad a nivel de partículas. Solo en experimentos muy especiales la mecánica cuántica entra en interacciones gravitatorias:

Las propiedades cuánticas discretasde la materia se manifiestan en una variedad de fenómenos. Cualquier partícula que quede atrapada en un pozo de potencial lo suficientemente profundo y amplio se asentará en estados ligados cuánticos. Por ejemplo, la existencia de estados cuánticos de electrones en un campo electromagnético es responsable de la estructura de los átomos, y los estados cuánticos de los nucleones en un campo nuclear fuerte dan lugar a la estructura de los núcleos atómicos. De manera análoga, el campo gravitatorio debería conducir a la formación de estados cuánticos. Pero la fuerza gravitacional es extremadamente débil en comparación con la fuerza electromagnética y la nuclear, por lo que la observación de los estados cuánticos de la materia en un campo gravitatorio es extremadamente desafiante. Debido a su neutralidad de carga y su larga vida útil, los neutrones son candidatos prometedores con los que observar tal efecto. Aquí informamos evidencia experimental de estados ligados cuánticos gravitacionales de neutrones. Las partículas se dejan caer hacia un espejo horizontal que, junto con el campo gravitatorio de la Tierra, proporciona el pozo de potencial de confinamiento necesario. Bajo tales condiciones, los neutrones que caen no se mueven continuamente a lo largo de la dirección vertical, sino que saltan de una altura a otra, como predice la teoría cuántica.