Un nuevo argumento explora cómo el aumento del desorden podría provocar que objetos masivos se acerquen entre sí. Los físicos se muestran interesados ​​y escépticos al mismo tiempo.

Un artículo de George Musser. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

Isaac Newton nunca estuvo del todo satisfecho con su ley de la gravitación universal. Durante décadas después de publicarla en 1687, trató de entender cómo, exactamente, dos objetos podían atraerse mutuamente a distancia. Él y otros propusieron varios modelos mecánicos en los que la gravedad no era una fuerza de atracción, sino de empuje. Por ejemplo, el espacio podría estar lleno de partículas invisibles que bombardean los objetos desde todas las direcciones. El objeto de la izquierda absorbería las partículas que vienen de ese lado, el de la derecha las que vienen del otro, y el resultado neto sería un empuje que los aproximaría.

Aquellas teorías nunca funcionaron del todo, y finalmente Albert Einstein ofreció una explicación más profunda de la gravedad como una distorsión del espacio y el tiempo. Pero la teoría de Einstein, llamada relatividad general, trajo consigo sus propios enigmas, y el propio Einstein reconoció que no podía ser la última palabra. Así, la idea de que la gravedad sea un efecto colectivo —no una fuerza fundamental, sino el resultado de un comportamiento de enjambre a una escala más fina— sigue ejerciendo una poderosa atracción sobre los físicos.

A comienzos de este año, un grupo de físicos teóricos propuso lo que podría considerarse una versión moderna de aquellos modelos mecánicos del siglo XVII. «Debe de haber algún tipo de gas o sistema térmico ahí fuera que no podemos ver directamente», explica Daniel Carney, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, quien dirigió el trabajo. «Pero interactúa aleatoriamente con las masas de tal forma que, en promedio, reproduce todos los fenómenos gravitatorios que conocemos: la Tierra orbitando el Sol, y cosas por el estilo.»

Este proyecto es uno de los muchos intentos de entender la gravedad —y quizá el propio continuo espacio-tiempo— como algo emergente a partir de una física más profunda y microscópica. La línea de pensamiento de Carney, conocida como gravedad entrópica, identifica esa física subyacente con la física del calor. Afirma que la gravedad resulta del mismo vaivén aleatorio y de la mezcla de partículas —y del consiguiente aumento de entropía, entendida de forma laxa como desorden— que gobierna calderas de vapor, motores de combustión o frigoríficos.

Los intentos de modelar la gravedad como consecuencia del aumento de la entropía han aparecido de forma intermitente durante varias décadas. La gravedad entrópica es, sin duda, una visión minoritaria. Pero es una idea que se resiste a morir, y ni siquiera sus detractores se atreven a descartarla del todo. El nuevo modelo tiene, además, la virtud de ser susceptible de verificación experimental, algo poco común cuando se trata de teorías sobre los misteriosos cimientos de la atracción universal.

Una fuerza emerge

Lo extraordinario de la teoría de Einstein no es solo que funcione (y que lo haga con una belleza matemática sublime), sino que revela su propia incompletitud. La relatividad general predice que las estrellas pueden colapsar formando agujeros negros y que, en el centro de estos objetos, la gravedad se vuelve infinitamente intensa. Allí, el continuo espacio-tiempo se desgarra como una bolsa de la compra sobrecargada, y la teoría ya no puede decir qué ocurre después.

Además, la relatividad general muestra paralelismos asombrosos con la física del calor, pese a que ningún concepto térmico se utilizó en su desarrollo. Predice que los agujeros negros solo crecen, nunca se encogen, y solo engullen, nunca expulsan. Esa irreversibilidad es característica del flujo del calor: cuando el calor se transmite, la energía adopta una forma más aleatoria o desordenada; una vez ocurre, es improbable que se reorganice de manera espontánea. La entropía cuantifica precisamente ese crecimiento del desorden.

De hecho, cuando los físicos aplicaron la mecánica cuántica al estudio del espacio-tiempo distorsionado en torno a un agujero negro, descubrieron que estos emiten energía como cualquier cuerpo caliente. Como el calor es el movimiento aleatorio de partículas, estos efectos térmicos sugieren a muchos investigadores que los agujeros negros —y el propio espacio-tiempo— están formados en realidad por algún tipo de partículas o componentes microscópicos.

Siguiendo las pistas que ofrecen los agujeros negros, los físicos han explorado diversos enfoques para entender cómo el espacio-tiempo podría emerger de componentes más elementales. El enfoque principal parte de lo que se conoce como principio holográfico. Según este, la emergencia del espacio-tiempo funciona un poco como un holograma ordinario: del mismo modo que un holograma genera sensación de profundidad a partir de un patrón ondulado grabado sobre una superficie plana, los patrones en los componentes microscópicos del universo podrían dar lugar a una dimensión espacial adicional. Esa nueva dimensión estaría curvada, haciendo que la gravedad surja de forma natural.

La gravedad entrópica, introducida en un célebre artículo de 1995 por el físico teórico Ted Jacobson, de la Universidad de Maryland, adopta un enfoque emparentado pero distinto. Antes, los físicos partían de la teoría de Einstein y derivaban sus consecuencias térmicas. Jacobson invirtió el camino: partió de la hipótesis de que el espacio-tiempo tiene propiedades térmicas y, a partir de ellas, derivó las ecuaciones de la relatividad general. Su trabajo confirmó que los paralelismos entre la gravedad y el calor no son mera coincidencia.

«Le dio la vuelta a la termodinámica de los agujeros negros», afirma Carney. «Este resultado me ha tenido desconcertado toda mi vida adulta.»

Atracción aparente

¿Cómo podría surgir la atracción gravitatoria a partir de componentes más microscópicos? Inspirados por el enfoque de Jacobson, Carney y sus coautores —Manthos Karydas, Thilo Scharnhorst, Roshni Singh y Jacob Taylor— propusieron dos modelos.

En el primero, el espacio está lleno de una red cristalina de partículas cuánticas, o qubits. Cada una posee una orientación, como la aguja de una brújula. Estos qubits tienden a alinearse con un objeto cercano que tenga masa y ejercen una fuerza sobre él. «Si colocas una masa en algún punto de la red, todos los qubits próximos se polarizan: intentan orientarse en la misma dirección», explicó Carney.

Al reorientar los qubits cercanos, un objeto masivo crea una región de alto orden en la red, que de otro modo estaría orientada al azar. Si colocas dos masas, generas dos de esas regiones ordenadas. Un alto grado de orden implica baja entropía, pero el sistema tiende de forma natural a maximizar la entropía. Por tanto, a medida que las masas reordenan los qubits y estos, a su vez, empujan a las masas, el efecto neto es que estas se aproximen para concentrar el orden en una región menor. Parecerá que se atraen gravitatoriamente, cuando en realidad son los qubits los que hacen el trabajo. Y, al igual que dicta la ley de Newton, esa atracción aparente disminuye con el cuadrado de la distancia.

El segundo modelo prescinde de la red. Los objetos masivos siguen situados en el espacio y son influidos por qubits, pero estos ya no ocupan posiciones concretas y podrían hallarse muy lejos. Carney señaló que esta característica busca reflejar la no localidad de la gravedad newtoniana: todos los objetos del universo ejercen influencia unos sobre otros en algún grado.

En este modelo, cada qubit puede almacenar cierta energía; la cantidad depende de la distancia entre las masas. Cuando están separadas, la capacidad energética de un qubit es alta, de modo que la energía total del sistema cabe en unos pocos qubits. Si las masas se acercan, la capacidad energética de cada qubit disminuye, por lo que la energía total debe repartirse entre más qubits. Esta situación corresponde a una mayor entropía, de modo que la tendencia natural del sistema es empujar las masas una hacia la otra, reproduciendo de nuevo la gravedad newtoniana.

Fortalezas y debilidades

Carney advierte que ambos modelos son ad hoc. No existe evidencia independiente de la existencia de estos qubits, y él y sus colegas tuvieron que ajustar a mano la intensidad y dirección de la fuerza que ejercen. Uno podría preguntarse si esto supone realmente un avance respecto a considerar la gravedad como fundamental. «En realidad, parece requerir una interacción bastante artificiosa para que funcione», reconoció Carney.

Y lo que consiguen reproducir es solo la ley de la gravedad de Newton, no todo el entramado de la teoría de Einstein, en la que la gravedad equivale a la curvatura del espacio-tiempo. Para Carney, los modelos son una prueba de principio, una demostración de que es al menos posible que un comportamiento colectivo explique la atracción gravitatoria, más que un modelo realista del universo. «La ontología de todo esto es nebulosa», admitió.

Mark Van Raamsdonk, físico de la Universidad de la Columbia Británica y especialista en holografía —el enfoque dominante sobre el espacio-tiempo emergente—, duda de que estos modelos representen una verdadera prueba de principio. Señala que los nuevos modelos entrópicos carecen de las propiedades que hacen especial a la gravedad, como el hecho de que no se sienta fuerza gravitatoria alguna durante la caída libre en el espacio-tiempo. «Su construcción no tiene realmente nada que ver con la gravedad», afirmó.

Además, los modelos se centran en el aspecto de la gravedad que los físicos creen entender mejor. La ley de Newton surge de manera natural de la teoría de Einstein cuando la gravedad es débil, como en la Tierra. Es en los regímenes de gravedad intensa, como los agujeros negros, donde las cosas se vuelven extrañas, y el modelo entrópico no dice nada sobre ello. «El verdadero desafío de la física gravitatoria es entender su régimen de fuerte acoplamiento y campo intenso», apunta Ramy Brustein, teórico de la Universidad Ben-Gurión, que en su día simpatizó con la gravedad entrópica pero ha perdido entusiasmo por la idea.

Los defensores de la gravedad entrópica responden que los físicos no deberían mostrarse tan seguros de cómo se comporta la gravedad débil. Si la gravedad es en realidad un efecto colectivo de qubits, la ley de Newton sería un promedio estadístico, y los efectos instantáneos fluctuarían alrededor de ese valor medio. «Hay que ir a campos muy débiles, porque ahí es donde esas fluctuaciones podrían hacerse observables», explica Erik Verlinde, de la Universidad de Ámsterdam, quien defendió la gravedad entrópica en un artículo muy debatido de 2010 y ha seguido desarrollando la idea.

Poniendo a prueba la gravedad entrópica

Carney cree que el principal valor de los nuevos modelos es que plantean preguntas conceptuales sobre la gravedad y abren nuevas vías experimentales.

Supongamos que un cuerpo masivo se encuentra en una combinación cuántica, o superposición, de estar en dos lugares distintos. ¿Estará también su campo gravitatorio en superposición, atrayendo a otros cuerpos en dos direcciones diferentes? Los nuevos modelos de gravedad entrópica predicen que los qubits actuarían sobre el cuerpo masivo para sacarlo de su dilema al estilo del gato de Schrödinger.

Este escenario se conecta con la muy debatida cuestión del colapso de la función de onda, que pregunta cómo es posible que al medir un sistema cuántico en superposición sus múltiples estados posibles colapsen en un único estado definido. Algunos físicos han sugerido que este colapso se debe a una aleatoriedad intrínseca del universo. Aunque las propuestas de Carney difieren en los detalles, comparten consecuencias experimentales parecidas: predicen que un sistema cuántico aislado acabaría colapsando por sí mismo, incluso sin ser medido ni perturbado desde fuera. «En principio, los mismos dispositivos experimentales podrían servir para poner a prueba ambas hipótesis», señala Angelo Bassi, de la Universidad de Trieste, quien ha liderado estos experimentos y ya ha descartado algunos modelos de colapso.

A pesar de sus dudas, Van Raamsdonk coincide en que merece la pena explorar la vía entrópica. «Como no se ha demostrado que la gravedad real de nuestro universo surja holográficamente, es valioso investigar otros mecanismos posibles por los que podría surgir», afirmó. Y si esta teoría tan arriesgada resultase ser cierta, los físicos tendrían que actualizar el famoso cartel de Gerry Mooney sobre la gravedad, que dice: “Gravity. It isn’t just a good idea. It’s the law.” Quizá la gravedad no sea, en realidad, una ley, sino tan solo una tendencia estadística.

El artículo original, Is Gravity Just Entropy Rising? Long-Shot Idea Gets Another Look., se publicó el 13 de junio de 2025 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López