Muchos investigadores creen que la física no estará completa hasta que pueda explicar el comportamiento del espacio, el tiempo y su origen.
“Imagina, un día te despiertas y te das cuenta de que estás viviendo dentro de un juego de computadora. Si es así, entonces todo a su alrededor, todo el mundo tridimensional es sólo una ilusión, la información codificada en una superficie de dos dimensiones.”
- Mark Van Raamsdonk - Físico, Universidad de Columbia Británica, Vancouver, Canadá.
Esto haría de nuestro universo, con sus tres dimensiones espaciales, una especie de holograma, cuya fuente está en las dimensiones inferiores.
Este "principio holográfico" es bastante inusual para la física teórica. Pero Van Raamsdonck es parte de un pequeño grupo de investigadores que piensan que esto es bastante normal. Es solo que ninguno de los pilares de la física moderna: ni la relatividad general, que describe la gravedad como una curvatura del espacio y el tiempo, ni la mecánica cuántica, pueden explicar la existencia del espacio y el tiempo. Incluso la teoría de cuerdas, que describe los filamentos de energía, no puede hacer esto.
Van Raamsdonck y sus colegas están convencidos de que es necesario dar una representación concreta de los conceptos de espacio y tiempo, aunque sea tan absurdo como la holografía. Argumentan que un replanteamiento radical de la realidad es la única forma de explicar lo que sucede cuando una singularidad infinitamente densa en el centro de un agujero negro distorsiona el espacio-tiempo más allá del reconocimiento. También ayudará a unificar la teoría cuántica y la relatividad general, algo que los teóricos han estado tratando de lograr durante décadas.
"Todas nuestras experiencias indican que en lugar de dos conceptos polares de la realidad, se debe encontrar una teoría general"
. Abei Ashtekar, físico, Universidad Estatal de Pensilvania, University Park, PA
Gravity as Thermodynamics
Pero, ¿para qué son todos estos intentos? ¿Y cómo encontrar el verdadero "corazón" de la física teórica?
Una serie de descubrimientos sorprendentes a principios de la década de 1970 llevaron a la idea de que la mecánica cuántica y la gravedad están estrechamente relacionadas con la termodinámica.
En 1974, Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido demostró que los efectos cuánticos en el espacio alrededor de un agujero negro pueden provocar la liberación de radiación de alta temperatura. Otros físicos notaron rápidamente que este fenómeno es bastante general. Incluso en un espacio completamente vacío, un astronauta que experimenta aceleración sentirá calor a su alrededor. El efecto es demasiado pequeño para ser notado en el caso de la nave espacial, pero la suposición en sí parecía fundamental. Y si la teoría cuántica y la relatividad general son correctas (lo que se confirma mediante experimentos), entonces existe la radiación de Hawking.
Esto fue seguido por un segundo descubrimiento clave. En termodinámica estándar, un objeto puede irradiar calor solo disminuyendo la entropía, una medida del número de estados cuánticos dentro de él. Lo mismo ocurre con los agujeros negros; Incluso antes de que apareciera el artículo de Hawking en 1974, Jacob Bekenstein, quien actualmente se encuentra en la Universidad Hebrea de Jerusalén, sugirió que los agujeros negros tienen entropía. Pero hay una diferencia. En la mayoría de los objetos, la entropía es proporcional al número de átomos del objeto y, por tanto, al volumen. Pero la entropía de un agujero negro es proporcional al área de su horizonte de eventos, un límite del que ni siquiera la luz puede escapar. Como si esta superficie codificara información sobre lo que hay adentro (al igual que los hologramas bidimensionales codifican una imagen tridimensional).
En 1995, Ted Jacobson, físico de la Universidad de Maryland en College Park, combinó estos dos descubrimientos y sugirió que cada punto en el espacio está en un diminuto "horizonte de agujero negro" que también obedece a la relación de entropía-área. Incluso las ecuaciones de Einstein satisfacen esta condición (naturalmente, el físico operaba con conceptos termodinámicos, no espacio-tiempo).
"Quizás esto nos permitirá aprender más sobre el origen de la gravedad", dice Jacobson. Las leyes de la termodinámica son estadísticas, por lo que su resultado sugiere que la gravedad también es un fenómeno estadístico (una aproximación macroscópica a los componentes invisibles del espacio-tiempo).
En 2010, esta idea dio un paso más. Eric Verlinde, un teórico de cuerdas de la Universidad de Amsterdam, sugirió que la termodinámica estadística de los componentes del espacio-tiempo podría haber dado impulso a la ley de atracción gravitacional de Newton.
En otro trabajo, Tanu Padmanaban, cosmólogo del Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica en Pune, mostró que las ecuaciones de Einstein pueden reescribirse en una forma idéntica a las leyes de la termodinámica, como muchas otras teorías alternativas de la gravedad. Actualmente, Padmanaban está trabajando para generalizar el enfoque termodinámico, tratando de explicar el origen y la magnitud de la energía oscura, una misteriosa fuerza cósmica que acelera la expansión del universo.
Es extremadamente difícil, pero no imposible, probar estas ideas empíricamente. Para comprender si el espacio-tiempo se compone de componentes discretos, se puede observar el retraso de los fotones de alta energía que viajan a la Tierra desde objetos distantes en el espacio, como supernovas y estallidos de rayos gamma.
En abril, Giovanni Amelino-Camelia, un investigador de gravedad cuántica de la Universidad de Roma, y sus colegas encontraron indicios de tales retrasos para los fotones de un estallido gamma. Los resultados no son concluyentes, dice Amelino-Camelia, pero el grupo planea expandir su búsqueda para medir el tiempo de los neutrinos de alta energía creados por eventos cósmicos.
“Si una teoría no se puede probar, entonces la ciencia no existe para mí. Se convierte en creencias religiosas que no me interesan. "
- Giovanni Amelino-Camelia - Investigador de gravedad cuántica, Universidad de Roma
Otros físicos se centran en las pruebas de laboratorio. En 2012, por ejemplo, investigadores de la Universidad de Viena y el Imperial College de Londres llevaron a cabo un experimento de sobremesa en el que se mueven espejos microscópicos utilizando láseres. Argumentaron que el espacio-tiempo en la escala de Planck cambiaría la luz reflejada por el espejo.
Bucle de gravedad cuántica
Incluso si el enfoque termodinámico es correcto, todavía no dice nada sobre los componentes fundamentales del espacio y el tiempo. Si el espacio-tiempo es una tela, ¿cuáles son sus hilos?
Una posible respuesta es bastante literal. La gravedad cuántica de bucles, iniciada por primera vez a mediados de la década de 1980 por Ashtekar y sus colegas, describe el tejido del espacio-tiempo como una red creciente de filamentos que transportan información sobre las áreas cuantificadas y los volúmenes de las regiones por las que pasan. Los hilos individuales de la red deben eventualmente formar bucles. De ahí el nombre de la teoría. Es cierto que no tiene nada que ver con la teoría de cuerdas mucho más famosa. Estos últimos se mueven alrededor del espacio-tiempo, mientras que los hilos son el espacio-tiempo, y la información que llevan determina la forma del tejido del espacio-tiempo que los rodea.
Los bucles son objetos cuánticos; sin embargo, también definen la unidad de área mínima y, al igual que la mecánica cuántica convencional, definen la energía mínima de un electrón en un átomo de hidrógeno. Intente insertar hebras adicionales de un área más pequeña, y simplemente se desconectarán del resto de la red y no podrán comunicarse con nada más.
Parecen caerse del espacio-tiempo.
Lo bueno del área mínima es que la gravedad cuántica de bucles no puede comprimir un número infinito de curvas en un punto infinitamente pequeño. Esto significa que no puede conducir a esas características cuando las ecuaciones de Einstein colapsan: en el momento del Big Bang o en el centro de los agujeros negros.
Aprovechando este hecho, en 2006 Ashtekar y sus colegas presentaron una serie de modelos en los que dieron marcha atrás y demostraron lo que vino antes del Big Bang. A medida que nos acercamos al límite de tamaño fundamental dictado por la gravedad cuántica de bucle, la fuerza repulsiva abrió y bloqueó la singularidad abierta, transformándola en un túnel hacia el espacio antes del nuestro.
Este año, Rodolfo Gambini de la Universidad Republicana de Uruguay en Montevideo y Jorge Puyin de la Universidad de Louisiana en Baton Rouge presentaron modelos similares, pero para un agujero negro. Si te adentras en el corazón de un agujero negro, no puedes encontrar una singularidad, sino un delgado túnel espacio-temporal que conduce a otra parte del cosmos.
La gravedad cuántica de bucles no es una teoría completa, ya que no contiene ninguna otra fuerza. Además, los físicos todavía tienen que demostrar cómo el espacio-tiempo ordinario "salió" de la red de información. Pero Daniele Oriti, físico del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Holm, espera encontrar inspiración en el trabajo de científicos que han presentado fases exóticas de la materia que experimentan las transiciones descritas por la teoría cuántica de campos. Oriti y sus colegas están buscando fórmulas para describir cómo el universo podría pasar por fases similares desde un conjunto de bucles discretos hasta un espacio-tiempo continuo y uniforme.
Serie causal
Las frustraciones han llevado a algunos investigadores a ceñirse a un programa minimalista conocido como teoría causal. Fundada por Raphael Sorkin, la teoría postula que los componentes básicos del espacio-tiempo son simples puntos matemáticos asociados con el pasado o el futuro.
Esta es una visión "esquelética" de la causalidad, que establece que un evento anterior puede influir en uno posterior, pero no al revés. Como resultado, la red, como un árbol en crecimiento, se convierte en espacio-tiempo.
“El espacio emerge de un punto al igual que la temperatura emerge de un átomo. No tiene sentido hablar de un átomo, el significado radica en su gran número. "
- Raphael Sorkinphysicist, Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo, Canadá
A finales de la década de 1980, Sorkin utilizó esta estructura para representar el número de puntos que debería incluir el universo y concluyó que debían ser la causa de la pequeña energía interna que acelera la expansión del universo. Unos años más tarde, el descubrimiento de la energía oscura confirmó su suposición. "La gente suele pensar que la gravedad cuántica no puede hacer predicciones comprobables, pero este es exactamente el caso", dice Joe Henson, investigador de la gravedad cuántica en el Imperial College de Londres. "Si el valor de la energía oscura fuera mayor o no fuera en absoluto, entonces se descartaría la teoría de la causalidad".
Triangulación dinámica causal
Apenas hay evidencia, pero la teoría de la causalidad ha ofrecido varias otras posibilidades que podrían probarse. Algunos físicos han descubierto que es mucho más conveniente utilizar simulaciones por computadora. La idea, que surgió a principios de la década de 1990, es aproximar componentes fundamentales desconocidos con pequeñas piezas de espacio-tiempo ordinario atrapadas en un mar hirviente de fluctuaciones cuánticas, y ver cómo estas piezas se fusionan espontáneamente en estructuras más grandes.
“Los primeros intentos de aproximar componentes fundamentales desconocidos con pequeños fragmentos de espacio-tiempo ordinario no tuvieron éxito. Los bloques de construcción del espacio-tiempo eran simples hiperpirámides, prototipos de cuatro dimensiones de tetraedros tridimensionales, y la supuesta conexión les permitía combinarse libremente. El resultado fue una serie de "universos" extraños en los que había demasiadas dimensiones (o muy pocas), algunas de ellas existían solas y otras fueron destruidas. Fue un intento de mostrar lo que nos rodea. Después de todo, la dimensión del tiempo no es como las tres dimensiones del espacio. No podemos viajar de un lado a otro en el tiempo, por lo que la visualización se ha modificado para adaptarse a la causalidad. Luego descubrimos que las piezas de espacio y tiempo comenzaron a reunirse en universos de cuatro dimensiones con propiedades,
- Renata Loll Física, Universidad de Nijmegen, Países Bajos
Curiosamente, la simulación también insinúa que poco después del Big Bang, el universo atravesó una fase infantil con solo dos dimensiones: una espacial y otra temporal. Esta conclusión se hizo independientemente de los intentos de obtener las ecuaciones de la gravedad cuántica, e incluso independientemente de aquellos que creen que la aparición de la energía oscura es una señal de que está emergiendo una cuarta dimensión espacial en nuestro universo.
Holografía
Mientras tanto, Van Raamsdonk propuso una idea completamente diferente de la apariencia del espacio-tiempo, basada en el principio holográfico. El principio similar a un holograma de que los agujeros negros tienen toda su entropía en la superficie fue introducido por primera vez por Juan Maldacena, un teórico de cuerdas en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton. Publicó su modelo del universo holográfico en 1998. En este modelo, el "interior" tridimensional del Universo incluía cuerdas y agujeros negros controlados exclusivamente por la gravedad, mientras que su límite bidimensional tenía partículas y campos elementales que obedecían las leyes cuánticas ordinarias, no la gravedad.
Los habitantes hipotéticos del espacio tridimensional nunca verían esta frontera, porque estaría infinitamente lejos. Pero esto no afecta a las matemáticas de ninguna manera: todo lo que sucede en el universo tridimensional puede describirse igualmente bien mediante ecuaciones en el caso de una frontera bidimensional, y viceversa.
En 2010, Van Raamsdonck explicó el entrelazamiento de partículas cuánticas en el límite. Esto significa que los datos obtenidos en una parte afectarán inevitablemente a la otra. Descubrió que si cada partícula se enreda entre dos regiones separadas del límite, se mueve constantemente hacia cero, por lo que el vínculo cuántico entre ellas desaparece, el espacio tridimensional comienza a dividirse gradualmente (como una celda) hasta que se rompe el último vínculo.
Así, el espacio tridimensional se divide una y otra vez, mientras que el borde bidimensional permanece "conectado". Van Raamsdonck concluyó que el universo 3D va al lado del entrelazamiento cuántico en el límite. Esto significa que, en cierto sentido, el entrelazamiento cuántico y el espacio-tiempo son lo mismo.