Tú estás hecho de espacio-tiempo

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Tú estás hecho de espacio-tiempo

Por : 13-04-2007

Lee Smolin no es un mago. Aunque él y sus colegas han llevado a cabo uno de los trucos más grandes imaginables. Partiendo sólo de la Teoría General de la Relatividad de Einstein han hecho aparecer el Universo.

Todo, desde el tejido del espacio-tiempo a la materia que forma varitas y conejos emerge como si saliera de un sombrero vacío.

Es una hazaña impresionante. No sólo nos habla de los orígenes del espacio y la materia, sino que podría ayudarnos a comprender de dónde vienen las leyes del Universo. No es sorprendente que Smolin, que es físico teórico en el Instituto Perimeter en Waterloo, Ontario, esté muy excitado. "He estado saltando alrededor de estas ideas", comenta.

Esta prometedora aproximación para la compresión del cosmos está basada en una colección de teorías llamadas Gravedad Cuántica de Bucles, un intento de unir la Relatividad General y la Mecánica Cuántica en una única teoría consistente.

Los orígenes de la Gravedad Cuántica de Bucles pueden rastrearse hasta los años 80, cuando Abhay Ashtekar, ahora en la Universidad de Pennsylvania State en University Park, rescribió las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General en un marco de trabajo cuántico. Smolin y Carlo Rovelli de la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia, desarrollaron más tarde las ideas de Ashtekar y descubrieron que en el nuevo marco de trabajo, el espacio no es suave y continuo sino que consta de trozos indivisibles de 10^-35 metros de diámetro. La Gravedad Cuántica de Bucles define el espacio-tiempo como una red de enlaces abstractos que conecta estos volúmenes de espacio, más que como nodos enlazados en un mapa de ruta aérea.

Desde el principio, los físicos notaron que estos enlaces podrían curvarse sobre otros para formar estructuras similares a trenzas. Lo curioso de estas trenzas era, sin embargo, que nadie comprendía su significado. "Ya conocíamos las trenzas en 1987", dice Smolin, "pero no sabíamos si correspondía a algo físico".

Entra Sundance Bilson-Thompson, un físico de partículas teóricas de la Universidad de Adelaida en el Sur de Australia. Sabía poco sobre la gravedad cuántica cuando, en 2004, comenzó a estudiar un viejo problema de la física de partículas. Bilson-Thompson trataba de comprender la verdadera naturaleza de lo que los físicos piensan que son las partículas elementales – aquellas sin subcomponentes conocidos. Estaba perplejo por la plétora de estas partículas en el modelo estándar, y comenzó a preguntarse cómo serían en realidad las partículas elementales. Como primer paso hacia las respuestas de esta pregunta, desempolvó algunos modelos desarrollados en los años 70 que postulaban la existencia de unas entidades más fundamentales llamadas preones.

Así como los núcleos de los distintos elementos están formados por protones y neutrones, estos modelos basados en preones sugieren que los electrones, quarks, neutrinos y cualquier otra cosa, están hechos de unas partículas hipotéticas más pequeñas que portan la carga eléctrica e interactúan unas con otras. Los modelos finalmente se toparon con problemas, sin embargo, debido a que predecían que los preones tendrían más energía que las partículas de las que se suponían formaban parte. Este error fatal hizo que los modelos se abandonasen, aunque no se olvidasen por completo.

Bilson-Thompson lo abordó de forma distinta. En lugar de pensar en los preones como partículas que se unen como los bloques de Lego, se concentró en cómo interactúan. Después de todo, lo que llamamos propiedades de las partículas en realidad no son más que una abreviatura de la forma en que interactúan con todo lo que les rodea. Quizás pensó que podría trabajar con cómo interactúan los preones y este trabajo nos diría lo que son.

Para hacer esto, Bilson-Thompson abandonó la idea de que los preones son partículas puntuales y teorizó que poseen longitud y anchura, como lazos que de alguna forma podrían interactuar envolviéndose entre ellas. Supuso que estos lazos podrían cruzarse por encima y por debajo para formar una trenza cuando tres preones se uniesen para formar una partícula. Los lazos individuales pueden también girar en sentido horario o antihorario a lo largo de sí mismas. Cada giro, imaginó, dotaría al preón con una carga equivalente a un tercio de la carga del electrón, y el signo de la carga dependía de la dirección del giro.

La trenza más simple posible en el modelo de Bilson-Thompson que parecería un pretzel¹ deformado correspondería a un neutrino electrón (ver Gráfico). Si le das la vuelta como en un espejo obtienes su contraparte en antimateria, el antineutrino electrón. Añade tres giros en el sentido horario y tienes algo que se comporta justo como un electrón; tres giros en sentido antihorario y tienes un positrón. El modelo de Bilson-Thompson también produce fotones y bosones W y Z, las partículas que portan las fuerzas electromagnéticas y nuclear débil. De hecho, estos lazos trenzados parecen configurar todo el zoológico de partículas del Modelo Estándar.

Bilson-Thompson publicó su trabajo en internet en 2005 (www.arxiv.org/abs/hep-ph/0503213). A pesar de sus logros, no obstante, aún no sabía qué eran los preones. O de qué estaban hechas en realidad sus trenzas. "Estuve jugando con la idea de que fuesen microagujeros de gusano, que se envolvían unos a otros. O alguna otra distorsión extrema de la estructura del espacio-tiempo", recuerda.

Fue en este punto cuando Smolin tropezó con el artículo de Bilson-Thompson. "Cuando lo vimos nos pusimos muy nerviosos ya que habíamos estado buscando algo que pudiese explicar el trenzado”, dice Smolin. ¿Eran los dos tipos de trenzas sólo uno y el mismo? ¿Las partículas no son más que trenzas enredadas en el espacio-tiempo?

Smolin invitó a Bilson-Thompson a Waterloo para ayudarlo en su búsqueda. También solicitó la ayuda de Fotini Markopoulou del instituto, que llevaba tiempo sospechando que las trenzas en el espacio podrían ser la fuente de la materia y la energía. Aunque ella también era consciente de que su idea difícilmente encajaba con la Gravedad Cuántica de Bucles. A cada instante, las fluctuaciones cuánticas arrugan la red de los enlaces del espacio-tiempo, apretándolos en un revoltijo de subidas y bajadas. Estas estructuras son tan efímeras que duran aproximadamente 10^-44 segundos antes de transformarse en una nueva configuración. "Si la red cambia en todos sitios a cada momento, ¿cómo puede sobrevivir algo?" pregunta Markopoulou. "Incluso a nivel cuántico, sé que un fotón o un electrón viven más de 10^-44 segundos".

Markopoulou ya ha encontrado una respuesta en una variante radical de la Gravedad Cuántica de Bucles que ha estado desarrollando junto a David Kribs, un experto en computación cuántica de la Universidad de Guelph en Ontario. Mientras los ordenadores tradicionales almacenan información en bits que pueden tomar valores de 0 y 1, los ordenadores cuánticos usan "qubits" que, en principio al menos, pueden ser 0 y 1 a la vez, lo que hace de la computación cuántica una potente idea. La delicada dualidad de cada qubit individual lo pone siempre en riesgo de pérdida como resultado de las interacciones con el mundo exterior, pero los cálculos han demostrado que los conjuntos de qubits son mucho más robustos de lo que en principio se esperaba, y que los datos almacenados en ellos pueden sobrevivir a toda clase de perturbaciones.

En la versión de Markopoulou y Kribs de la Gravedad Cuántica de Bucles, consideran que el Universo es un gigantesco computador cuántico, donde cada cuanto de espacio es reemplazado por un bit de información cuántica. Sus cálculos demostraron que la resistencia de los qubits preservaría las trenzas cuánticas en el espacio-tiempo, explicando cómo las partículas pueden tener un tiempo de vida tan largo en medio de la turbulencia cuántica.

Smolin, Markopoulou y Bilson-Thompson ahora han confirmado que las trenzas de este espacio-tiempo pueden producir las partículas más livianas del Modelo Estándar – el electrón, los quarks “up” y “down”, el neutrino electrón y sus pares de antimateria (www.arxiv.org/abs/hep-th/0603022).

Todo desde la nada

Hasta ahora la nueva teoría reproduce sólo unas pocas características del Modelo Estándar, tales como la carga de las partículas y su “orientación”, una cantidad que describe cómo se relaciona el espín mecánico-cuántico de una partícula con su dirección de movimiento en el espacio. Incluso así, Smolin está encantado con el progreso. "Tras 20 años, es maravilloso hacer por fin algunas conexiones con la física de partículas que no hayan sido puestas a mano", dice.

La correspondencia entre las trenzas y las partículas sugiere que más propiedades podrían estar esperando a ser derivadas de la teoría. El logro más sustancial, dice Smolin, sería calcular las masas las partículas elementales a partir de los primeros principios. Éste es un objetivo descomunalmente ambicioso: predecir las masas de las otras constantes fundamentales de la naturaleza era algo que los teóricos de cuerdas se habían propuesto lograr hace más de 20 años – y aún siguen sin rendirse.

Como en la Teoría de Cuerdas, idear experimentos para comprobar la nueva teoría será también difícil. Éste es un problema que acosa a la Gravedad Cuántica de Bucles en sus pretensiones, debido a que ningún experimento concebible puede probarse en un espacio menor de 10^-35 metros.

Irónicamente, el mejor lugar en el que buscar para buscar una prueba experimental podría ser en las mayores escalas del Universo, no en las más pequeñas. "Lo más cerca que está nadie de poder hacer predicciones es en el área de la cosmología”, dice John Baez, matemático y experto en gravedad cuántica en la Universidad de California, Irvine. Markopoulou está ahora tratando de pensar alguna forma de probar el modelo de trenzas usando la radiación fósil dejada por el Big Bang, el llamado Fondo de Microondas Cósmico que impregna el Universo. Los físicos creen que los patrones que vemos hoy en la radiación pueden haberse originado a partir de fluctuaciones cuánticas durante los primeros momentos del Big Bang, cuando toda la materia del Universo estaba compactada en un espacio lo bastante pequeño para que los efectos cuánticos fuesen significativos.

Mientras tanto, la visión de Markopoulou del Universo como un gigantesco ordenador cuántico podría ser algo más que una analogía útil: podría ser cierta, de acuerdo con algunos teóricos. Si es así, hay una asombrosa consecuencia: el espacio mismo podría no existir. Reemplazando los trozos de espacio de la Gravedad Cuántica de Bucles por los qubits, lo que solía ser un marco de referencia – el mismo espacio – se transforma en una red de información. Si la noción de espacio deja de tener sentido a la escala más pequeña, dice Markopoulou, algunas de las consecuencias podrían haber sido aumentadas por la expansión siguiente al Big Bang. "Mi suposición es que la no existencia de espacio tiene efectos medibles, sólo si puedes mirar." Debido a que es bastante complejo centrar tu mente en lo que significa que no exista espacio, añade.

Efectivamente, muy duro, pero merece la pena el esfuerzo. Si esta versión de la Gravedad Cuántica de Bucles puede reproducir todas las características del Modelo Estándar de la física de partículas y es corroborado por pruebas experimentales, podríamos estar en la mejor idea desde Einstein. "Es una idea maravillosa. Es una idea valiente y extraña", dice Rovelli. "E incluso podría funcionar".

Por supuesto, la mayoría de físicos se reservan su opinión. Joe Polchinski, teórico de cuerdas de la Universidad de Stanford en California, cree que Smolin y sus colegas aún tienen un gran trabajo por delante para demostrar que sus trenzas capturan todos los detalles del Modelo Estándar completo. "Ésta es una etapa muy preliminar. Se tiene que trabajar con ello y ver a dónde lleva", dice Polchinski.

Si la nueva Gravedad Cuántica de Bucles termina este duro trabajo, podría darnos un nuevo sentido de nuestro lugar en el Universo. Si los electrones y quarks – y por tanto los átomos y la gente – son consecuencia de la forma en que el espacio-tiempo se entrelaza entre sí, podríamos no ser nada más que un montón de tozudas rastas en el espacio. Verse implicado de la forma en la que estamos nosotros, podría al menos darnos el confort de saber que finalmente somos verdaderamente uno con el Universo.

Agrandar la gravedad cuántica

Para que la gravedad cuántica tenga éxito como teoría de la gravedad fundamental, debería como mínimo predecir que las manzanas caen sobre la Tierra. En otras palabras, la Ley de la Gravedad de Newton debería emerger de forma natural de ella. Es algo complicado para una teoría que genera el espacio y el tiempo partiendo de cero describir lo que sucede en el mundo a diario, pero Carlo Rovelli de la Universidad del Mediterráneo en Marsella, Francia, y su equipo han tenido éxito en hacer justo esto. "Básicamente hemos calculado la Ley de Newton comenzando en un mundo sin espacio ni tiempo", comenta (www.arxiv.org/abs/gr-qc/0604044).

La Ley de la Gravedad de Newton describe las fuerzas atractivas entre dos masas separadas por una distancia dada. Sin embargo, no es tan simple medir esta separación cuando el espacio tiene una compleja arquitectura cuántica del tipo que vemos en la Gravedad Cuántica de Bucles, donde no está claro qué significa la distancia. Éste ha sido el mayor obstáculo a la hora de demostrar cómo la Ley de Newton puede emerger de un espacio cuantizado.

El modo simple de medir la longitud en un espacio cuantizado es saltar de un cuanto a otro, contando cuantos pasos ha llevado alcanzar el destino final. De acuerdo con la Gravedad Cuántica de Bucles, el tejido del espacio hierve con fluctuaciones cuánticas, por lo que la distancia entre dos puntos siempre está cambiando, y puede tener varios valores a la vez.

Trabajando con Eugenio Bianchi de la Universidad de Pisa, Leonardo Modesto de la Universidad de Bolonia y Simone Speziale del Instituto Perimeter en Waterloo, Ontario, Rovelli sorteó el problema. El equipo encontró una forma matemática de aislar regiones del espacio lo bastante grandes para medir la separación entre dos puntos. Cuando ampliaron y usaron estas matemáticas para mirar el espacio-tiempo a mayores escalas, encontraron que la Ley de Newton surgía de pronto de su teoría.

El cálculo del equipo de Rovelli no reproduce toda la complejidad de la Relatividad General de Einstein, la cual también describe masas lo bastante grandes para curvar el espacio de forma apreciable. No obstante, sus resultados apuntan en la dirección correcta. Lee Smolin del Instituto Perimenter piensa que este es un paso adelante. "Su trabajo demuestra que la Gravedad Cuántica de Bucles tiene la gravedad dentro de ella”, dice. "No será durante más tiempo un castillo en el aire".

¹: Pretzel es una galletita salada con forma de lazo

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Traducido para Astroseti.org por
Manuel Hermán

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Web Site: newscientist.com
Artículo: “You are made of space-time”
Autor: Davide Castelvecchi y Valerie Jamieson
Fecha Original: 12 de agosto de 2006 (Del número 2564 de la revista New Scientist, páginas 28-31)

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