Durante los últimos 100 años, los físicos han construido teorías precisas y poderosas sobre el universo, desde el más pequeño al más grande. Sin embargo, hay escalas en las que todas estas teorías no funcionan y que guardan los mayores secretos sobre las leyes de la naturaleza.
Estamos acostumbrados a vivir en un mundo de cosas grandes y macroscópicas. Todo lo que la persona promedio encuentra durante el día, desde una taza de café por la mañana hasta una enorme bola de fuego en el cielo llamada Sol, son cosas que podemos ver o tocar. Sin embargo, incluso en la antigua Grecia, los filósofos, en particular Demócrito y su maestro Leucipo, sugirieron que todo consiste en las partículas indivisibles más pequeñas: átomos (traducidos literalmente del griego significa "indivisible").
Con el tiempo, se descubrió el átomo, y luego su propiedad de que no es en absoluto indivisible, sino que consta de un núcleo y un electrón que gira alrededor de él. Luego resultó que el núcleo también consta de protones y neutrones. Incluso más tarde, se descubrieron los quarks, de los cuales se componen los protones y neutrones de los núcleos atómicos. Estas diminutas partículas se llaman elementales. Además de los quarks, entre las partículas elementales ya se mencionan electrones, bosones, neutrinos y fotones. Todos ellos se consideran los mismos "átomos" griegos antiguos, indivisibles.
En 1899 (en algunas fuentes, en 1900), el físico alemán y fundador a tiempo parcial de la teoría cuántica Max Planck propuso una medida especial de medición: las unidades de Planck. Estas son unidades diseñadas para simplificar ciertas expresiones algebraicas que se encuentran en la física teórica, en particular en la mecánica cuántica. Estos incluyen unidades fundamentales como la masa de Planck, la temperatura de Planck, la longitud de Planck y el tiempo de Planck. En este artículo, consideraremos la longitud de Planck y el tiempo de Planck e intentaremos hacerlo de la forma más comprensible, sin cálculos matemáticos complicados (aunque necesitaremos algunas fórmulas).
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Como ya saben, la física se ocupa no solo del estudio de enormes estructuras cósmicas como galaxias y nebulosas, sino también de fenómenos increíblemente pequeños a escalas atómicas y subatómicas. Sin embargo, hay otra realidad a una escala mucho menor que la que la ciencia ha podido estudiar. En este nivel, existe un valor que va mucho más allá de la comprensión tradicional de "pequeño" que es difícil de imaginar. Esta es la longitud de Planck: es 10 (elevado a 20) veces menor que el diámetro del núcleo de un átomo de hidrógeno. Se supone (o, más precisamente, se sospecha) que es en este nivel donde se forma la "espuma" del espacio-tiempo. Para entender de qué valor estamos hablando, puede mirar la animación "Escala del Universo" en este enlace.
Y, sin embargo, ¿de qué dimensiones estamos hablando? La longitud de Planck es de solo 1.616 x 10 (a la potencia de -35) metros. Se puede calcular utilizando una ecuación que incluye tres constantes fundamentales completas: la constante de Planck (6,6261 x 10 (a la potencia de -34)), la velocidad de la luz en el vacío (2,29979 x 10 (a la potencia de 8) m / s) y la constante gravitacional (6.6738 x 10 (elevado a 11)):
Max Planck llegó por primera vez a esta extraordinaria unidad después de trabajar en la radiación del cuerpo negro y la mecánica cuántica. Probablemente hayas escuchado que esta es la longitud más corta posible.
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Aquí, como en el caso del concepto griego antiguo del átomo, se puede decir: "Por supuesto, si tengo cierta longitud y la divido por la mitad, y luego la repito una y otra vez, obtendré valores cada vez más pequeños". Sin embargo, estamos hablando de una escala en la que la física ya no es capaz de hacer lo mismo que las matemáticas. Uno de los ejemplos más llamativos de tales imposibilidades es el movimiento con velocidad superluminal. Es decir, en el papel, puedes aplicar fuerza a la masa y acelerarla a la velocidad de la luz y más alta, pero sabemos que en la naturaleza esto es simplemente físicamente imposible, ya que la masa de un objeto (y por lo tanto la energía necesaria para acelerarlo) aumenta infinitamente. Resulta que no somos capaces de implementar en realidad todo lo que podemos hacer en papel.
La teoría de cuerdas predice la existencia de las cuerdas que componen todas las partículas elementales, precisamente en la longitud de Planck / Universe Review.
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Entonces, ¿cómo encaja una cantidad tan pequeña en la física? Si dos partículas están separadas por una longitud de Planck o incluso por una distancia menor, entonces es imposible determinar las posiciones de cada una de ellas. Además, los efectos de la gravedad cuántica en esta escala (si los hay) son desconocidos para la ciencia, ya que allí el espacio en sí no está correctamente definido. En cierto sentido, podemos decir que incluso si desarrollamos métodos de medición capaces de "mirar" en estas escalas, nunca podríamos medir nada menos, independientemente de la mejora adicional de nuestros métodos y equipos.
Según el modelo cosmológico estándar, el universo nació como resultado del Big Bang, que comenzó en un punto infinitamente denso. Es especialmente interesante que los físicos y cosmólogos no tengan la menor idea de qué leyes de la física prevalecían en el Universo antes de que superara la longitud de Planck en tamaño, ya que todavía no existe una teoría confirmada de la gravedad cuántica. Sin embargo, esta unidad ha demostrado ser útil en muchas ecuaciones diferentes que han ayudado a calcular e investigar algunos de los misterios más importantes del universo.
Por ejemplo, la longitud de Planck es un componente clave en la ecuación de Bekenstein-Hawking para calcular la entropía de un agujero negro. Los teóricos de cuerdas creen que es en esta escala donde hay cuerdas "vibrantes" que forman las partículas elementales del Modelo Estándar. Ya sea que la teoría de cuerdas sea cierta o no, una cosa es cierta: en la búsqueda de una teoría unificada del todo, comprender la longitud de Planck y la física asociada a ella jugará un papel clave.
Los primeros momentos de la existencia del Universo en cosmología se denominan era de Planck / Universidad de Illinois.
¿Y el tiempo de Planck? En pocas palabras, el tiempo de Planck es el tiempo que tarda la luz en el vacío en recorrer la longitud de Planck. En consecuencia, estas dos cantidades están relacionadas. Es curioso que para calcular el tiempo de Planck se necesite la constante de Planck, la constante gravitacional y la velocidad de la luz en el vacío. El valor exacto del tiempo de Planck es 5.391 x 10 (elevado a -44) segundos, y se calcula mediante la fórmula:
El tiempo de Planck también se denomina cuanto de tiempo, el valor de tiempo más pequeño que tiene algún valor real. Los tiempos más pequeños no tienen sentido. Volviendo a las hipótesis teóricas, los teóricos de cuerdas suponen que las cuerdas del tamaño de Planck vibran a una frecuencia correspondiente al tiempo de Planck. En 2003, al analizar imágenes del campo profundo del telescopio Hubble, algunos científicos sugirieron que si las fluctuaciones del espacio-tiempo estuvieran presentes en la escala de Planck, las imágenes de objetos muy distantes serían borrosas. Las imágenes del Hubble, argumentaron, eran demasiado precisas, lo que, según los expertos, ponía en duda el concepto de escala de Planck. Otros miembros de la comunidad científica no estuvieron de acuerdo con esta suposición, señalando,que tales fluctuaciones serían demasiado pequeñas para ser observadas. Además, se sugirió que el desenfoque esperado se eliminó por el gran tamaño de los objetos en las imágenes.
Campo ultraprofundo del Hubble / NASA / ESA / R. THOMPSON.
Entonces, la longitud de Planck y el tiempo de Planck asociado determinan la escala a la que las teorías físicas modernas dejan de funcionar. Toda la geometría del espacio-tiempo predicha por la teoría general de la relatividad deja de tener significado. Estas escalas almacenan una teoría aún no descubierta que une la relatividad general y la mecánica cuántica, que puede describir de manera más completa las leyes de la física. De hecho, es por esta razón que las descripciones modernas del desarrollo del Universo comienzan solo 5.391 x 10 (elevado a -44) segundos después del Big Bang, cuando el Universo tenía 1.616 x 10 (elevado a -35) metros.
Vladimir Guillén
