Teoría vincula la teoría cuántica con la relatividad y encuentra que el tiempo se «tambalea»
La física moderna convive con dos teorías opuestas: la teoría cuántica y la teoría de la relatividad. Hace pocos días se publicaron las primeras conclusiones de una tercera teoría, que pretende reducir las distancias “irreconciliables” entre las dos primeras. Mientras la teoría cuántica explica tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza a nivel de partículas subatómicas, la teoría de la relatividad explica la cuarta fuerza como la deformación del espacio-tiempo.
Solo un detalle: estas teorías son fundamentalmente incompatibles entre sí. Han pasado más de cien años y los científicos en al área de la física no logran ponerse de acuerdo. Sin embargo, la ciencia no se detiene y aparece una tercera: la teoría gravedad cuántica de bucles, que intenta explicar el comportamiento cuántico de la gravedad, es decir, cómo funciona el espacio-tiempo, a una escala muy pequeña como átomos y moléculas.
Expuesto de una manera muy simple, se podrían acercar las dos teorías antes incompatibles, pero hay que experimentar mucho y los físicos, se muestran escépticos ante este nuevo planteamiento. Estas investigaciones abrieron la puerta a dos importantes teorías “cuantizadas” de la relatividad general: “la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles”, que intentan acercar posiciones aparentemente insalvables.
El espacio-tiempo no es uniforme
La más reciente teoría la enarbola el físico Jonathan Oppenheim del University College de Londres, UCL. Sostiene que el espacio-tiempo no es cuántico, sino clásico. «La única diferencia es que el espacio-tiempo “se tambalea” u oscila aleatoriamente, en lugar de ser uniforme», afirma. La teoría se denomina oficialmente “teoría poscuántica de la gravedad clásica” y los científicos llevan cinco años probándola.
A principios de este mes se publicaron dos artículos simultáneos en las revistas Physical Review X y Nature Communications sobre estas investigaciones.
“La teoría cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein son matemáticamente incompatibles entre sí, por lo que es importante entender cómo se resuelve esta contradicción. ¿Hay que cuantizar el espacio-tiempo, modificar la teoría cuántica o se trata de algo totalmente distinto?”, explica Oppenheim.
Cómo resolver la contradicción
Por otro lado, no se ha podido demostrar que la teoría de la relatividad general de Albert Einstein esté equivocada en sus predicciones sobre cómo la gravedad da forma a los eventos cósmicos. Actualmente, los científicos han propuesto la posibilidad de unificar estos dos pilares de la física, a través de un replanteamiento radical de la naturaleza del espacio-tiempo.
El tiempo transcurre de manera predecible, según la “teoría poscuántica de la gravedad clásica”, la velocidad a la que fluye el tiempo se tambalearía aleatoriamente, como el flujo y reflujo de una corriente. “La teoría cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein son matemáticamente irreconciliables entre sí, por lo que es importante entender cómo se resuelve esta contradicción», dice Oppenheim.
Apuestan por el fracaso
No todos los estudiosos en el ambiente académico están convencidos de una posible unificación. El profesor de física Carlo Rovelli, apostó 5.000 contra 1 con Oppenheim. Por los momentos, los estudiosos aseguran que la teoría de la gravedad de Einstein publicada en 1915 debe ser modificada o “cuantificarse” para que pueda ajustarse a la teoría cuántica.
La teoría cuántica es anterior a la teoría de la gravedad. La publicó el físico alemán Max Planck en 1900. Su inicio fue una explicación de los cuerpos negros y la radiación, conocida posteriormente como Ley de Planck. La física cuántica se basa en el átomo, en el enlace químico, las moléculas, la interacción de la luz con las partículas, la materia, etc.
Avances de la física cuántica
Aunque la física cuántica describe el mundo a escala atómica podemos observar sus consecuencias a escala macroscópica en las propiedades térmicas (como la radiación), ópticas (como los colores), eléctricas (como la clasificación entre aislantes, metales y semiconductores en los sólidos cristalinos) y magnéticas (como el ferromagnetismo, antiferromagnetismo y otros ordenes magnéticos de la materia).
La física cuántica tiene además importantes aplicaciones tecnológicas como la invención del transistor y los ordenadores. También es la base de la mayoría de la alta tecnología electrónica que utilizamos en la actualidad, detalla el site wp.icmm.csic.es.
La teoría de las cuerdas
Para que la teoría de la gravedad se cuantifique apareció la teoría de cuerdas, que promueve la opinión de que el espacio-tiempo comprende 10, 11 o posiblemente 26 dimensiones. Otro candidato destacado, propuesto por Rovelli y otros, es la gravedad cuántica de bucles, en la que el espacio-tiempo se compone de bucles finitos tejidos en una tela extremadamente delgada.
La teoría de Oppenheim, publicada en la revista Physical Review X, reta al mundo científico, por lo menos, a los entendidos en física, al proponer que el espacio-tiempo puede ser clásico y no estar gobernado en absoluto por la teoría cuántica. Esto significaría “que el espacio-tiempo, por mucho que lo acerque, sería fluido y continuo en lugar de cuantificado en unidades discretas”.
Sin embargo, el físico Oppenheim explica la idea de que “el espacio-tiempo también es inherentemente inestable, sujeto a fluctuaciones aleatorias que crean una ruptura intrínseca de la previsibilidad”. “La velocidad a la que fluye el tiempo cambia aleatoriamente y fluctúa en el tiempo. Es bastante matemático. Imaginarlo en tu cabeza es bastante difícil”, dijo, aunque deja claro que el tiempo nunca retrocedería.
No les agrada la ruptura de la previsibilidad
Esta característica de “tambalearse” u “oscilar” propuesta por Oppenheim resultaría una ruptura de la previsibilidad, algo que asegura, “no les gusta a muchos a los físicos”. Entre ellos el antes mencionado Rovelli y el doctor Geoff Penington, un defensor de la teoría de cuerdas de la Universidad de California, Berkeley, que también tiene una apuesta 5.000 a 1 si Oppenheim tiene éxito con la teoría unificadora.
“Las especulaciones son bienvenidas, sobre todo si pueden probarse experimentalmente. Pero la mayoría de las especulaciones resultan erróneas. Creo que es bueno que Oppenheim explore esta posibilidad, aunque no sea muy plausible, pero las grandes afirmaciones sobre una ‘nueva teoría que une la gravedad de Einstein con la mecánica cuántica’ me parecen un poco exageradas”, afirmó Rovelli.
En última instancia, si la teoría es correcta no es una preferencia estética, sino una cuestión de si es una representación fiel de la realidad.
Para la teoría cuántica de bucles, formulada por los científicos como John Baez, Carlo Rovelli y Lee Smolin, el espacio no es continuo. No se puede dividir infinitamente, hay una unidad mínima de distancia. El espacio-tiempo está “granulado”. Es como la pantalla de un televisor o de un teléfono móvil. Puedes ver cómo un punto de luz se mueve de un lado a otro de manera aparentemente continua.
Cuando el espacio-tiempo estaría «pixelado»
Si te acercas lo suficiente puedes notar que la pantalla está dividida en decenas de miles de cuadritos que forman la imagen. Estos cuadritos se llaman “pixeles”. Son la unidad mínima de la imagen, no se pueden subdividir más. Y un punto de luz que se mueve puede estar en este pixel, o en el pixel contiguo, pero no se puede mover “medio pixel”.
La propuesta de la Gravedad Cuántica de Hucles es que el espacio también está ‘pixelizado’. La palabra exacta, según Rovelli, sería “cuantizado”. La energía solo se puede transferir en paquetes llamados “cuantos”. No solo la materia y la energía, sino también el espacio mismo tiene una estructura atómica. La distancia mínima se llama “distancia de plank”, que es millones de veces más pequeña que un electrón. Nada se puede mover en distancias menores.
La idea es que el espacio-tiempo está estructurado en redes de pequeñísimos rizos o bucles conectados entre sí. Estas redes se llaman “redes de spin”. Son estudiadas mediante una rama matemática llamada “teoría de grafos”, que calculan los modos posibles en los que se relacionan los vértices y las aristas de la red. Una red de spin representa el estado cuántico de un campo gravitacional y no es fijo. Está en constante flujo.
La antigua idea del espacio y el tiempo como un escenario donde ocurren las cosas ya no aplica. Una red de spin no está en el tiempo y el espacio. «Es el espacio-tiempo mismo», según estos investigadores.
Los bamboleos en el espacio-tiempo
Un segundo artículo, publicado simultáneamente en Nature Communications y dirigido por el doctor Zach Weller-Davies, miembro del Perimeter Institute de Canadá, propone un experimento para descubrir “bamboleos” en el espacio-tiempo a través de pequeñas fluctuaciones en el peso de un objeto.
Un ejemplo sencillo: la Oficina Internacional de Pesas y Medidas pesa frecuentemente una masa de 1 kg, que solía ser el estándar de 1 kg. Si las fluctuaciones en las mediciones de esta masa de 1 kg son menores que un cierto umbral, la teoría puede descartarse.
“Hemos demostrado que si el espacio-tiempo no tiene una naturaleza cuántica, entonces debe haber fluctuaciones aleatorias en la curvatura del espacio-tiempo que tienen una firma particular que puede verificarse experimentalmente. Debe existir una delicada interacción si partículas cuánticas como los átomos son capaces de curvar el espacio-tiempo clásico”, afirma Weller-Davies.
Otras teorías que también intentaron unificar
No es la primera teoría que intenta aproximar las teorías incompatibles. Anteriormente, la teoría de las cuerdas del físico italiano Gabriele Veneziano que se publicó en 1968, también intentó acercar estas teorías tan poco afines. Veneziano halló una fórmula matemática que servía para describir estas teorías conocidas como modelos duales, que aspiraban explicar las máximas del universo y de la física.
Sin embargo, unos años más tarde apareció otra teoría en competencia: la cromodinámica cuántica. Los experimentos realizados en 1969 en la Universidad de Stanford, tuvieron éxito y la llamada teoría cromodinámica cuántica de 1973 demostró la libertad asintótica. Entonces, la mayoría de los académicos físicos dejaron atrás los modelos duales.
En 1975, los físicos Joël Scherk y John Schwarz demostraron que la teoría de cuerdas contiene una partícula con propiedad spin 2 y de masa nula, susceptible de ser identificada con el gravitón, la constante de gravitación. «Por tanto, las cuerdas podrían ser más idóneas para explicar la interacción gravitacional que la interacción fuerte», anota Pablo Lope en Urban Tecno.
Albert Einstein y la relatividad
En 1905, el físico alemán Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad especial. A partir de esta teoría, que surgió de la observación de que la velocidad de la luz en el vacío es igual en todos los sistemas de referencia inerciales, Einstein dedujo la ecuación de la física más famosa de todos los tiempos: E=mc2: la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado.
Al eliminar toda posibilidad de que existiera un tiempo y un espacio absoluto en el universo, la teoría de la relatividad especial también influyó decisivamente en otras disciplinas como la filosofía. Como esta teoría no tomaba en cuenta la gravedad como variable, Einstein siguió investigando y el 25 de noviembre de 1915, presentó ante la Academia Prusiana de Ciencias, en Berlín, su teoría de la relatividad general. Reformuló por completo el concepto de la gravedad y estableció que la geometría del universo es determinada por la materia que contiene. De esta segunda teoría surgió la cosmología, que estudia las leyes generales, el origen y la evolución del universo.
En la teoría de la relatividad general, Einstein predecía que el espacio y el tiempo eran relativos, que formaban un continuo llamado espacio-tiempo y que la masa de los objetos hacía que el espacio-tiempo se curvara.
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