¿Nuestra realidad fundamental es continua o está dividida en pedacitos pequeños y discretos?
Preguntado de otra manera, ¿el espacio-tiempo es suave o grueso? La pregunta llega al corazón de las teorías más fundamentales de la física, uniendo la forma en que el espacio y el tiempo se cruzan con el material de nuestra existencia cotidiana.
Sin embargo, probar experimentalmente la naturaleza del espacio y el tiempo ha sido imposible, debido a las energías extremas necesarias para explorar escalas tan pequeñas en el universo.. Es decir, hasta ahora. Un equipo de astrónomos ha propuesto un nuevo plan ambicioso para utilizar una flota de pequeñas naves espaciales para detectar cambios sutiles en la velocidad de la luz, un sello distintivo de algunas de las teorías más alucinantes del cosmos. Si el espacio y el tiempo se dividen en pedacitos, la investigación podría allanar el camino para una comprensión completamente nueva de la realidad.
Grueso vs suave
La pregunta de "¿qué es el espacio y el tiempo?" se remonta miles de años, y nuestra comprensión moderna se basa en dos pilares extrañamente incompatibles: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein.
En general, la relatividad, el espacio y el tiempo se entrelazan en la estructura unificada de tiempo espacial, la etapa tetradimensional que sustenta nuestro universo. Este espacio-tiempo es continuo, lo que significa que no hay espacios en ninguna parte; Todo es una textura suave. Sin embargo, el espacio-tiempo no es solo una plataforma para que actuemos de nuestra parte; también es un jugador: la flexión y deformación del espacio-tiempo nos da nuestra experiencia de la gravedad.
En la esquina opuesta, un conjunto de reglas llamadas mecánica cuántica gobierna las interacciones de las cosas muy pequeñas en el universo. La mecánica cuántica se basa en la idea de que no gran parte de nuestra experiencia cotidiana es fluida y continua, sino gruesa. En otras palabras, está cuantizado. La energía, el impulso, el giro y muchas otras propiedades de la materia vienen en pequeños paquetes discretos.
Además, la mecánica cuántica en sí misma también se divide en dos campos. Por un lado, tenemos las partículas familiares de nuestra existencia cotidiana, como electrones y protones, que interactúan y hacen otras cosas interesantes. Estos son obviamente muy gruesos, ya que son "cosas" discretas. Por otro lado, tenemos los campos cuánticos. En el mundo subatómico, cada tipo de partícula tiene su propio campo que se extiende a lo largo del espacio-tiempo; Cuando pensamos en partículas, pensamos en pequeñas vibraciones en sus campos, que a su vez interactúan con otras partículas y hacen otras cosas interesantes. Los campos son comprensiblemente muy suaves.
Pedazos de tiempo y espacio
Entonces, tenemos algunas imágenes suaves de nuestro universo y algunas gruesas. Cuando se trata del espacio-tiempo en sí mismo, podemos imaginar fácilmente extender los conceptos de la mecánica cuántica hasta su conclusión lógica, y decidir que el espacio y el tiempo son discretos: el tejido mismo de la realidad se divide como píxeles en la pantalla de una computadora , y lo que experimentamos como movimiento suave y continuo no es más que una cuadrícula de píxeles discretos en las escalas más pequeñas.
Muchas teorías sobre la fusión de la mecánica cuántica y la relatividad general, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, predicen alguna forma de espacio-tiempo discreto (aunque las predicciones precisas, las interpretaciones y las implicaciones de esa fragmentación todavía son poco conocidas). Si pudiéramos encontrar evidencia de espacio-tiempo discreto, no solo reescribiría por completo nuestra comprensión de la realidad, sino que también abriría la puerta a una revolución en la física.
Esta discreción puede revelarse solo de las maneras más sutiles; de lo contrario ya lo habríamos visto. Varias teorías han predicho que si el espacio-tiempo fuera realmente grueso, entonces la velocidad de la luz puede no ser completamente constante, sino que puede variar ligeramente dependiendo de la energía de esa luz. La luz de mayor energía tiene una longitud de onda más corta, y cuando la longitud de onda se vuelve lo suficientemente pequeña, puede "ver" la fragmentación del espacio-tiempo. Imagínese caminando por la acera: con los pies grandes no nota pequeñas grietas o golpes, pero si tuviera los pies microscópicos, tropezaría con cada pequeña imperfección, disminuyendo la velocidad. Pero este cambio es increíblemente pequeño; Si el espacio-tiempo es discreto, está en una escala más de mil millones de veces más pequeña de lo que podemos sondear actualmente en nuestros experimentos más poderosos.
Una búsqueda del grial
Entrar GrailQuest: Laboratorio internacional de astronomía de rayos gamma para la exploración cuántica del espacio-tiempo. Un equipo de astrónomos presentó una propuesta para esta misión en respuesta a una solicitud de nuevas ideas de caza del espacio-tiempo de la Agencia Espacial Europea (ESA). Su propuesta se detalla en la base de datos arXiv, lo que significa que aún no ha sido revisada por pares en el campo.
Aquí está la primicia: para ver si la velocidad de la luz cambia con diferentes energías, necesitamos recolectar una gran cantidad de la luz de mayor energía en el universo, y GrailQuest espera hacer exactamente eso.
GrailQuest consiste en una flota de naves espaciales pequeñas y simples (el número exacto varía, desde solo unas pocas docenas si los satélites son más grandes hasta más de unos pocos miles si son más pequeños) para monitorear constantemente el cielo en busca de explosiones de rayos gamma. Estas son algunas de las explosiones más poderosas del universo. Como su nombre lo indica, estas explosiones liberan grandes cantidades de fotones de alta energía, también conocidos como rayos gamma. Estos rayos gamma viajan miles de millones de años antes de llegar a la flota de naves espaciales, que registran la energía de los rayos gamma y las diferencias en los tiempos a medida que la explosión se extiende sobre la flota.
Con suficiente precisión, GrailQuest podría revelar si el espacio-tiempo es discreto. Al menos, tiene la configuración correcta: está examinando la luz de mayor energía (que es la que más se ve afectada en las teorías que predicen que el espacio-tiempo es grueso); los rayos gamma han estado viajando durante miles de millones de años luz (permitiendo que el efecto se acumule con el tiempo); y las naves espaciales son lo suficientemente simples como para producir en masa (para que toda la flota pueda ver tantos eventos como sea posible, en todo el cielo).
¿Cómo cambiarían nuestras concepciones de la realidad si GrailQuest encontrara evidencia de la discreción del espacio-tiempo? Es imposible decirlo: nuestras teorías actuales están en todo el mapa cuando se trata de implicaciones. Pero no importa qué, vamos a tener que esperar. Esta ronda de propuestas de la ESA es para lanzamientos en algún momento entre 2035 y 2050. Mientras esperamos, podemos debatir si el tiempo transcurrido de vez en cuando es fundamentalmente suave o grueso.
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Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacialy autor de Tu lugar en el universo.
