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Un físico de la Universidad USC explora cómo una segunda dimensión temporal podría unificar las leyes de la física y dar una mejor descripción del mundo natural.

El físico teórico de la Universidad USC Itzhak Bars ha sido pionero en un esfuerzo para discernir cómo una segunda dimensión temporal podía ayudar a los científicos a explicar mejor las leyes de la naturaleza. Crédito de la imagen: Don Milici

Durante largo tiempo, Itzhak Bars ha estado estudiando el tiempo.

Hace más de una década, el físico del Universidad USC comenzó a considerar el papel que juega el tiempo en las leyes básicas de la física — las ecuaciones que describen la materia, gravedad y otras fuerzas de la naturaleza.

Esas leyes son exquisitamente precisas. Einstein dominó la gravedad con su Teoría de la Relatividad General, y las ecuaciones de la Teoría Cuántica capturan cada matiz de la materia y las otras fuerzas, desde el poder atractivo de los imanes al pegamento subatómico que mantiene unidos los núcleos de los átomos.

Pero las leyes no pueden estar completas. A Teoría de la Gravedad de Einstein y la Teoría Cuántica no encajan. Falta alguna pieza en el puzzle de la realidad física.

Bars piensa que una de las piezas perdidas es una dimensión temporal oculta.

Extravagante no es una palabra lo bastante fuerte para describir esta idea, pero es una idea fuerte sin embargo. Con dos tiempo, piensa Bars, muchos de los misterios de las leyes físicas de hoy desaparecerían.

Por supuesto, no es tan simple como esto. Una dimensión extra del tiempo no es suficiente. Necesitas además una dimensión adicional del espacio.

Suena como un nuevo episodio de “La Dimensión Desconocida”, pero es una idea familiar para la mayoría de los físicos. De hecho, las dimensiones extra del espacio se han convertido en una forma popular de hacer la gravedad y la Teoría Cuántica más compatibles.

Las dimensiones espaciales extra no son fáciles de imaginar — en la vida cotidiana, nadie nota más de tres dimensiones. Cualquier movimiento que haces puede describirse como la suma de movimientos en tres direcciones — arriba-abajo, atrás adelante y hacia los lados. De forma similar, cualquier localización puede describirse por tres números (sobre la Tierra, latitud, longitud y altura), correspondiente a las tres dimensiones del espacio.

Sin embargo, podrían existir otras dimensiones, si estuviesen curvadas en pequeñas bolas, demasiado pequeñas para notarlas. Si te mueves a lo largo de esas dimensiones, volverás al punto de inicio tan rápido que no te darás cuenta de que te has movido.

“Una dimensión extra del espacio podría en verdad estar allí, sólo que es tan pequeña que no la vemos”, dijo Bars, profesor de física y astronomía.

Algo tan diminuto como una partícula subatómica, en cambio, podría detectar la presencia de dimensiones extra. De hecho, dijo Bars, ciertas propiedades de las partículas básicas de la materia, tales como la carga eléctrica, pueden tener algo que ver en cómo interactúan estas partículas con las diminutas e invisibles dimensiones del espacio.

Con esta visión, el Big Bang que inició el crecimiento del universo bebé hace 14 mil millones de años expandió sólo tres de las dimensiones espaciales, dejando el resto muy pequeñas. Muchos teóricos de hoy creen que 6 o 7 de estas dimensiones invisibles esperan a ser descubiertas.

Sólo unos pocos, en cambio, creen que exista más de una dimensión temporal. Bars hace de pionero en estos esfuerzos por discernir cómo una segunda dimensión temporal podría ayudar a los físicos a explicar mejor la naturaleza.

“Itzhak Bars tiene una larga historia en hallar nuevas simetrías matemáticas que pudiesen ser útiles en física”, dijo Joe Polchinski, físico del Instituto Kavli de Física Teórica en la UC Santa Barbara. “Esta idea bitemporal parece tener algunas propiedades matemáticas interesantes”.

Si Bars está en el camino correcto, algunos de los procesos más básicos de la física requerirán un re-examen. Algo tan simple como el movimiento de las partículas, por ejemplo, podría ser revisado en una nueva forma. En la física clásica (antes de los días de la Teoría Cuántica), una partícula en movimiento se describía completamente por su momento (su masa por su velocidad) y su posición. Pero la física cuántica dice que no se pueden conocer con precisión estas dos propiedades al mismo tiempo.

Bars altera las leyes que describen el movimiento incluso más, postulando que la posición y el momento no son distinguibles en un momento de tiempo dado. Técnicamente, pueden relacionarse mediante una simetría matemáticamente, lo que significa que intercambiar posición por momento mantiene sin cambios la física subyacente (justo igual que un espejo intercambia derecha e izquierda sin cambiar la apariencia de una cara simétrica).

En la física ordinaria, posición y momento difieren debido a que la ecuación para el momento involucra la velocidad. Dado que la velocidad es la distancia dividida por el tiempo, requiere la noción de una dimensión temporal. Si el intercambio de las ecuaciones para posición y momento en realidad no cambia nada, entonces la posición necesita una dimensión del tiempo también.

“Si hago posición y momento indistinguible el uno del otro, entonces algo cambia en la noción del tiempo”, dijo Bars. “Si requiero una simetría como esta, debo tener una dimensión temporal extra”.

Simplemente añadir una dimensión extra de tiempo no solucionado todo, no obstante. Para producir ecuaciones que describen el mundo con precisión, también se necesita una dimensión adicional del espacio, dando un total de cuatro dimensiones espaciales. Las matemáticas con cuatro dimensiones espaciales y dos temporales reproducen las ecuaciones estándar que describen las partículas básicas y fuerzas, un hallazgo descrito parcialmente por Bars el año pasado en la revista Physical Review D y se ha extendido más allá en su trabajo más reciente.

Las matemáticas de Bars sugieren que el mundo familiar de cuatro dimensiones — tres de espacio y uno de tiempo — es meramente una sombra de una realidad dimensional de seis dimensiones. En esta visión el mundo común es un muro bidimensional que muestra sombras de los objetos en una sala de tres dimensiones.

De forma similar, el universo observable del espacio y tiempo común pueden reflejar la física de un espacio mayor con una dimensión extra del tiempo. En la vida corriente nadie nota la segunda dimensión del tiempo, así como nadie ve la tercera dimensión de la sombra de un objeto bidimensional en la sombra de un muro.

Este punto de vista tiene implicaciones para la comprensión de muchos problemas en física. Por una parte, la teoría actual sugiere la existencia de una partícula ligera llamada axión, necesaria para explicar una anomalía en las ecuaciones del modelo estándar de partículas y fuerzas. Si existe, el axión podría formar la misteriosa “materia oscura” que los astrónomos dicen que afecta al movimiento de las galaxias. Pero dos décadas de búsqueda han sido infructuosas en hallar una prueba de que existen los axiones. La física con dos dimensiones temporales elimina la anomalía original sin la necesidad de un axión, según ha demostrado Bars, explicando posiblemente por qué no se ha encontrado.

A un mayor nivel, la física bitemporal puede ayudar en la búsqueda de una fusión de la Teoría cuántica con la Relatividad de Einstein en una sola Teoría Unificada. La aproximación más popular a este problema a día de hoy, la Teoría de Supercuerdas, también invoca dimensiones extra espaciales, pero una única dimensión del tiempo. Muchos creen que una variante de la Teoría de Cuerdas, conocida como Teoría M, será finalmente el vencedor en el juego de la unificación cuántica-relatividad, la Teoría M requiere 10 dimensiones espaciales y una temporal.

Los esfuerzos por formular una versión clara y completa de la Teoría M han sido inútiles hasta ahora. “Nadie nos ha dicho hasta ahora cuál es la forma fundamental de la Teoría M”, dijo Bars. “Sólo tenemos pistas — pero no sabemos qué es”.

Adoptar una aproximación bitemporal más simétrica puede ayudar. Describir las 11 dimensiones de la Teoría M en el lenguaje de la física bitemporal requeriría añadir una dimensión temporal además de otra espacial, dando a la naturaleza 11 dimensiones espaciales y dos temporales. “La versión de la Teoría tendría un total de 13 dimensiones”, dijo Bars.

Para algunas personas esto sería considerado desafortunado. Pero para Bars, es una razón para el optimismo.

“Mi esperanza”, dice, “es que este camino que estoy siguiente me lleve al lugar adecuado”.

Traducido para Astroseti.org por
Manuel Hermán

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Autor: Tom Siegfried
Fecha Original: mayo de 2007
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