By: Colin Stuart
Para comprender mejor el universo, es posible que debamos acabar con una de las teorías más importantes de todos los tiempos.
Como en la historia, las revoluciones son el alma de la ciencia. Burbujeantes corrientes subterráneas de inquietud hierven hasta que surge un nuevo régimen para tomar el poder. Entonces, la atención de todos se centra en derrocar a su nuevo gobernante. El rey esta muerto, larga vida al rey.
Esto ha sucedido muchas veces en la historia de la física y la astronomía. Primero, pensamos que la Tierra estaba en el centro del sistema solar, una idea que se mantuvo durante más de 1.000 años. Entonces Copérnico se estiró para decir que todo el sistema sería mucho más simple si fuéramos simplemente otro planeta en órbita alrededor del sol. A pesar de la gran oposición inicial, la vieja imagen geocéntrica finalmente cedió bajo el peso de la evidencia del telescopio recién inventado.
Entonces apareció Newton para explicar que la gravedad es la razón por la que los planetas orbitan alrededor del sol. Dijo que todos los objetos con masa tienen una atracción gravitacional entre sí. Según sus ideas, orbitamos el sol porque tira de nosotros, la luna orbita la Tierra porque tiramos de ella. Newton gobernó durante dos siglos y medio antes de que Albert Einstein apareciera en 1915 para usurparlo con su Teoría general de la relatividad . Esta nueva imagen explica claramente las inconsistencias en la órbita de Mercurio y fue confirmada por las observaciones de un eclipse solar frente a la costa de África en 1919.
En lugar de un tirón, Einstein vio la gravedad como el resultado de un espacio curvo. Dijo que todos los objetos del universo se sientan en un tejido liso de cuatro dimensiones llamado espacio-tiempo. Los objetos masivos como el sol deforman el espacio-tiempo a su alrededor, por lo que la órbita de la Tierra es simplemente el resultado de que nuestro planeta siga esta curvatura. Para nosotros eso parece una atracción gravitacional newtoniana. Esta imagen del espacio-tiempo ha estado en el trono durante más de 100 años y hasta ahora ha vencido a todos los pretendientes a su corona. El descubrimiento de las ondas gravitacionales en 2015 fue una victoria decisiva, pero, como sus predecesores, también podría estar a punto de caer. Eso es porque es fundamentalmente incompatible con la otra gran bestia del zoológico de la física: la teoría cuántica.
El mundo cuántico es notoriamente extraño. Las partículas individuales pueden estar en dos lugares a la vez, por ejemplo. Solo haciendo una observación lo obligamos a “elegir”. Antes de una observación, solo podemos asignar probabilidades a los resultados probables. En la década de 1930, Erwin Schrödinger ideó una forma famosa de exponer cuán perversa es esta idea. Imaginó un gato en una caja sellada acompañado de un frasco de veneno unido a un martillo. El martillo está conectado a un dispositivo que mide el estado cuántico de una partícula. Si el martillo rompe o no el frasco y mata al gato depende de esa medición, pero la física cuántica dice que hasta que se realice tal medición, la partícula se encuentra simultáneamente en ambos estados, lo que significa que el frasco está roto y sin romper y el gato está vivo y muerto.
Una imagen así no puede conciliarse con un tejido suave y continuo de espacio-tiempo. “Un campo gravitacional no puede estar en dos lugares a la vez”, dijo Sabine Hossenfelder, física teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt . Según Einstein, el espacio-tiempo está deformado por la materia y la energía, pero la física cuántica dice que la materia y la energía existen en múltiples estados simultáneamente; pueden estar tanto aquí como allá. “Entonces, ¿dónde está el campo gravitacional?” pregunta Hossenfelder. “Nadie tiene una respuesta a esa pregunta. Es un poco vergonzoso”, dijo.
Intente usar la relatividad general y la teoría cuántica juntas, y no funcionará. “Por encima de cierta energía, se obtienen probabilidades que son mayores que uno”, dijo Hossenfelder. Una es la probabilidad más alta posible: significa que el resultado es seguro. No puedes estar más seguro que seguro. Del mismo modo, los cálculos a veces le dan la respuesta infinita, que no tiene un significado físico real. Por tanto, las dos teorías son matemáticamente inconsistentes. Entonces, como muchos monarcas a lo largo de la historia, los físicos buscan un matrimonio entre facciones rivales para asegurar la paz. Están buscando una teoría de la gravedad cuántica , el último ejercicio diplomático para lograr que estos dos rivales compartan el trono. Esto ha hecho que los teóricos recurran a algunas posibilidades extravagantes.
Podría decirse que la más famosa es la teoría de cuerdas.. Es la idea de que las partículas subatómicas como los electrones y los quarks están hechas de diminutas cuerdas vibrantes. Así como puedes tocar cuerdas en un instrumento musical para crear notas diferentes, los teóricos de cuerdas argumentan que diferentes combinaciones de cuerdas crean diferentes partículas. El atractivo de la teoría es que puede conciliar la relatividad general y la física cuántica, al menos sobre el papel. Sin embargo, para sacar ese conejo en particular del sombrero, las cuerdas tienen que vibrar en once dimensiones, siete más que las cuatro en la estructura del espacio-tiempo de Einstein. Hasta el momento no hay evidencia experimental de que estas dimensiones adicionales realmente existan. “Pueden ser matemáticas interesantes, pero si describe el espacio-tiempo en el que vivimos, realmente no lo sabremos hasta que haya un experimento”, dijo Jorma Louko de laUniversidad de Nottingham .
En parte inspirados por las fallas percibidas de la teoría de cuerdas, otros físicos han optado por una alternativa llamada Loop Quantum Gravity (LQG) . Pueden hacer que las dos teorías funcionen bien si eliminan uno de los principios centrales de la relatividad general: que el espacio-tiempo es un tejido suave y continuo. En cambio, argumentan, el espacio-tiempo está formado por una serie de bucles entrelazados, que tiene una estructura en las escalas de tamaño más pequeñas. Esto es un poco como un trozo de tela. A primera vista, parece una tela lisa. Sin embargo, mire de cerca y verá que en realidad está hecho de una red de puntadas. Alternativamente, piense en ello como una fotografía en la pantalla de una computadora: acerque la imagen y verá que en realidad está hecha de píxeles individuales.
El problema es que cuando los físicos de LQG dicen pequeño, quieren decir realmente pequeño. Estos defectos en el espacio-tiempo solo serían aparentes en el nivel de la escala de Planck, alrededor de una billonésima de billonésima de billonésima de metro. Eso es tan pequeño que habría más bucles en un centímetro cúbico de espacio que centímetros cúbicos en todo el universo observable. “Si el espacio-tiempo solo difiere en la escala de Planck, entonces esto sería difícil de probar en cualquier acelerador de partículas”, dice Louko. Necesitaría un destructor de átomos 1.000 billones de veces más poderoso que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Entonces, ¿cómo se pueden detectar defectos en el espacio-tiempo tan pequeños? La respuesta es mirar a través de una gran área de espacio.
La luz que llega aquí desde los confines más lejanos del universo ha viajado a través de miles de millones de años luz de espacio-tiempo a lo largo del camino. Si bien el efecto de cada defecto de espacio-tiempo sería mínimo, en esas distancias, las interacciones con múltiples defectos podrían sumarse a un efecto potencialmente observable. Durante la última década, los astrónomos han estado usando luz de lejanos estallidos de rayos gamma.para buscar evidencia en apoyo de LQG. Estos destellos cósmicos son el resultado del colapso de estrellas masivas al final de sus vidas, y hay algo acerca de estas detonaciones distantes que actualmente no podemos explicar. “Su espectro tiene una distorsión sistemática”, dijo Hossenfelder, pero nadie sabe si eso es algo que sucede en el camino hacia aquí o si tiene algo que ver con la fuente de las explosiones. El jurado aún está deliberando.
Para progresar, es posible que tengamos que ir un paso más allá de decir que el espacio-tiempo no es el tejido suave y continuo que sugirió Einstein. Según Einstein, el espacio-tiempo es como un escenario que permanece en su lugar, ya sea que los actores estén pisando sus tablas o no; incluso si no hubiera estrellas o planetas bailando alrededor, el espacio-tiempo todavía estaría allí. Sin embargo, los físicos Laurent Freidel, Robert Leigh y Djordje Minic creen que esta imagen nos está frenando. Creen que el espacio-tiempo no existe independientemente de los objetos que contiene. El espacio-tiempo se define por la forma en que interactúan los objetos. Eso haría del espacio-tiempo un artefacto del mundo cuántico en sí, no algo que se pueda combinar con él. “Puede sonar extraño”, dijo Minic, “pero es una forma muy precisa de abordar el problema”.
El atractivo de esta teoría, llamada espacio-tiempo modular, es que podría ayudar a resolver otro problema de larga data en la física teórica con respecto a algo llamado localidad, y un fenómeno notorio en la física cuántica llamado entrelazamiento. Los físicos pueden establecer una situación en la que unan dos partículas y unan sus propiedades cuánticas. Luego los separan una gran distancia y descubren que todavía están vinculados. Cambie las propiedades de uno y el otro cambiará instantáneamente, como si la información hubiera viajado de uno a otro más rápido que la velocidad de la luz en violación directa de la relatividad. Einstein estaba tan perturbado por este fenómeno que lo llamó “acción espeluznante a distancia”.
La teoría del espacio-tiempo modular puede adaptarse a tal comportamiento redefiniendo lo que significa estar separado. Si el espacio-tiempo emerge del mundo cuántico, entonces estar más cerca en un sentido cuántico es más fundamental que estar cerca en un sentido físico. “Diferentes observadores tendrían diferentes nociones de localidad”, dijo Minic, “depende del contexto”. Es un poco como nuestras relaciones con otras personas. Podemos sentirnos más cerca de un ser querido que está lejos que del extraño que vive al final de la calle. “Puede tener estas conexiones no locales siempre que sean bastante pequeñas”, dijo Hossenfelder.
Freidel, Leigh y Minic han estado trabajando en su idea durante los últimos cinco años y creen que están progresando lentamente. “Queremos ser conservadores y tomar las cosas paso a paso”, dijo Minic, “pero es tentador y emocionante”. Ciertamente es un enfoque novedoso, uno que busca “gravitacionalizar” el mundo cuántico en lugar de cuantificar la gravedad como en LQG. Sin embargo, como ocurre con cualquier teoría científica, es necesario probarla. Por el momento, el trío está trabajando en cómo encajar el tiempo en su modelo.
Todo esto puede sonar increíblemente esotérico, algo que solo debería preocupar a los académicos, pero podría tener un efecto más profundo en nuestra vida cotidiana. “Nos sentamos en el espacio, viajamos a través del tiempo, y si algo cambia en nuestra comprensión del espacio-tiempo, esto impactará no solo en nuestra comprensión de la gravedad, sino también de la teoría cuántica en general”, dijo Hossenfelder. “Todos nuestros dispositivos actuales sólo funcionan gracias a la teoría cuántica. Si entendemos mejor la estructura cuántica del espacio-tiempo, eso tendrá un impacto en las tecnologías futuras, tal vez no en 50 o 100 años, pero tal vez en 200”, dijo.
El monarca actual se está volviendo loco y un nuevo pretendiente hace mucho tiempo, pero no podemos decidir cuál de las muchas opciones tiene más probabilidades de tener éxito. Cuando lo hagamos, la revolución resultante podría dar frutos no solo para la física teórica, sino para todos.
