Artículo publicado por Ron Cowen el 22 de noviembre de 2012 en Nature News
Se propone un experimento de sobremesa para demostrar si el espacio-tiempo está compuesto de unidades indivisibles.
El espacio no es liso: los físicos creen
que, a escala cuántica, está compuesto de subunidades indivisibles,
como los puntos que forman un cuadro puntillista. Este pixelado paisaje
se cree que hierve con agujeros negros menores de una cuatrillonésima
del diámetro de un átomo de hidrógeno, apareciendo y desapareciendo
constantemente.
Espuma cuántica
Esta tumultuosa imagen se propuso hace décadas por teóricos que tenían problemas para casar la teoría cuántica con la teoría de la gravedad de Einstein — la única de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que no se ha incorporado al Modelo Estándar de la física de partículas. De ser cierta, esta idea podría proporcionar una comprensión más profunda del espacio-tiempo y del nacimiento del universo.
Los científicos han intentado usar el
Gran Colisionador de Hadrones, los detectores de ondas gravitatorias, y
las observaciones de lejanas explosiones cósmicas, para determinar si el
espacio es realmente granulado pero, hasta el momento, los resultados
se han mostrado poco concluyentes. Ahora, Jacob Bekenstein, físico
teórico de la Universidad Hebrea de Jerusalén, ha propuesto un simple
experimento de sobremesa para descubrirlo, usando equipo actualmente
disponible1.
Como en experimentos anteriores, la configuración de Bekenstein está diseñada para examinar el problema de la escala de 1,6 × 10−35 metros.
Esta es la ‘longitud de Planck’, que se cree que marca la escala a la
cual es concepto macroscópico de distancia deja de tener sentido, y las
fluctuaciones cuánticas empiezan a provocar que el espacio-tiempo
recuerde a un mar espumoso.
Ningún instrumento puede medir directamente un desplazamiento tan pequeño como es 10−35 metros.
En lugar de esto, Bekenstein propone lanzar una única partícula de luz,
o fotón, a través de un bloque transparente, y medir indirectamente la
minúscula distancia que se mueve el bloque como consecuencia del momento
del fotón.
La longitud de onda del fotón y la masa y
tamaño del bloque se escogen con cuidado, de forma que el momento sea
lo bastante grande como para mover el centro de masas del bloque una
longitud de Planck. Si el espacio-tiempo no es granuloso a esta escala,
cada protón atravesará el bloque y será registrado por un detector en el
otro lado. Sin embargo, si el espacio-tiempo es granuloso, es mucho
menos probable que el fotón atraviese el bloque. “Lo que defiendo, es
que la consecuencia de este cruce – el movimiento del bloque una Planck —
es algo que no haría la naturaleza”, dice Bekenstein.
Si las fluctuaciones cuánticas en longitud son importantes a la
escala de Planck, se formaría fácilmente un mar de agujeros negros, cada
uno con un radio de la escala de Planck. Cualquier cosa que caiga en
uno de esos agujeros negros quedaría atrapada hasta que el agujero negro
desapareciera. Por tanto, si el centro de masas del bloque en
movimiento cae en uno de los agujeros, el movimiento del bloque quedará
obstruido (los fotones son mucho más grandes que la longitud de Planck,
y, por esta razón, no se ven perturbados por los agujeros negros en
miniatura).
La conservación del momento en la
configuración experimental, requiere que el fotón no pueda atravesar el
bloque, si el bloque es incapaz de moverse una longitud de Planck. Por
lo que si llegan al detector menos fotones de los esperados, esto
indicaría que el movimiento del bloque se ha visto obstruido por los
agujeros negros, y que el espacio-tiempo exhibe características
cuánticas a la escala de Planck.
El diseño de Bekenstein es simple, por
lo que el experimento podría ponerse en práctica fácilmente usando los
métodos establecidos para generar y detectar fotones aislados, dice Igor
Pikovski, físico cuántico en el Centro Vienna para Ciencia y Tecnología
Cuántica. No obstante, añade, “distinguir los posibles efectos
gravitatorios cuánticos de otros efectos, será todo un reto”.
A principios de 2012, Pikovski y sus
colegas publicaron otro esquema2 para estudiar la granularidad del
espacio-tiempo en el laboratorio, usando pulsos ópticos y los principios
de la teoría cuántica para llevar a un sistema de una configuración
inicial al estado final deseado. “La verdad es que no sabemos a qué
escala exactamente, la gravedad cuántica desempeñará un papel
significativo”, dice Pikovski. Hay mucho espacio para la granularidad a
longitudes mayores [que la longitud de Planck] ay no tenemos una teoría
completa que pueda darnos la respuesta.” Experimentos como el de
Bekenstein pueden proporcionar alguna de las primeras pruebas para una
respuesta, señala.
Nature doi:10.1038/nature.2012.11871
Artículos de referencia:
1.- Bekenstein, J. Preprint available at http://arxiv.org/abs/1211.3816 (2012).
2.- Pikovski, I. et al. Nature Phys. 8, 393–397 (2012).
Autor: Ron Cowen
Fecha Original: 22 de noviembre de 2012
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