"Como amigo mayor, debo disuadirlo de esta actividad, porque, en primer lugar, no tendrá éxito en esta actividad, y aunque tenga éxito, nadie le creerá de todos modos".
De la carta de Max Planck a Albert Einstein sobre el intento de Einstein de resolver las contradicciones entre la relatividad especial y la gravedad newtoniana
Desde la antigüedad, la humanidad siempre ha estado fascinada por los conceptos de Espacio (Cielo) y Tiempo (Principio, Cambio y Fin). Los primeros pensadores, comenzando con Gautama Buddha, Lao Tse y Aristóteles, abordaron activamente estos conceptos. A lo largo de los siglos, el contenido del razonamiento de estos pensadores ha cristalizado en la conciencia humana esas imágenes mentales que ahora utilizamos en nuestra vida diaria. Pensamos en el espacio como un continuo tridimensional que nos envuelve. Representamos el tiempo como la duración de cualquier proceso, no afectado por las fuerzas que actúan en el universo físico. Y juntos forman el escenario en el que se desarrolla todo el drama de las interacciones, cuyos actores son todo lo demás: estrellas y planetas, campos y materia, tú y yo.
Durante más de mil años, cuatro libros de física escritos por Aristóteles han proporcionado la base para las ciencias naturales. Si bien Heráclito creía que el Universo está en desarrollo infinito y que todos los procesos en él nunca comienzan y nunca terminan, Parménides enseñó que el concepto mismo de movimiento es incompatible con quién es el Uno, Continuo y Eterno. Aristóteles incorporó ambas ideas en su sistema cosmogónico. Todos los cambios estaban ahora asociados con la Tierra y la Luna, ya que estos cambios eran evidentes. La inmutabilidad se transfirió a otros planetas, el sol y las estrellas, porque eran Hermosos, Inmutables y Eternos. Hablando en lenguaje moderno, se puede argumentar que Aristóteles operaba con el tiempo absoluto, el espacio con una estructura absoluta, y todo esto lo proporcionaba la Tierra cambiante. Estos conceptos formaron la base de la verdadera percepción y descripción del mundo, en ese momento, que Isaac Newton estudió en 1661-1665, como estudiante en Cambridge.
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Veinte años después, Newton anuló estos dogmas centenarios. Al publicar su visión del mundo que nos rodea en 1686, proporcionó una nueva comprensión del universo que nos rodea. Según sus principios, el tiempo resultó ser el alféizar de una ventana, sustituido bajo el continuo dimensional. Seguía siendo absoluto e igual para todos los observadores. Todos los eventos simultáneos formaron un continuo espacial tridimensional. Así, la estructura absoluta del espacio desapareció en su razonamiento. Gracias a las lecciones de Copérnico, la Tierra fue sacada de su posición privilegiada en el universo. La relatividad galileana puso a todos los observadores inerciales en una plataforma física con precisión matemática. Los principios newtonianos destruyeron la ortodoxia aristotélica al abolir la distinción entre cielo y tierra. El cielo ya no era el mismo. Por primera vez en física, surgieron principios universales. La manzana que cae a la tierra y los planetas que se mueven en sus órbitas alrededor del sol ahora estaban sujetos a las mismas leyes. Los cielos ya no eran tan misteriosos, ya que estaban sujetos a la conciencia de la mente humana. Ya a principios del siglo XVIII, en las Audiencias de la Real Sociedad de Gran Bretaña, comenzaron a aparecer obras que predijeron no solo el movimiento de Júpiter, ¡sino también el movimiento de sus lunas! No es de extrañar que en ese momento la actitud hacia Newton estuviera llena no solo de escepticismo, sino también de miedo, y no solo por parte de los laicos, sino también por parte de la principal intelectualidad europea. Por ejemplo, el marqués de L'Hôpital, conocido por los estudiantes modernos por su regla para calcular límites,escribió desde Francia a John Arbuthnot en Inglaterra sobre Newton y sus Principios de la siguiente manera:
- ¡Dios mío! ¿Qué fundamentos del conocimiento nos aparecen en ese libro? ¿Come, bebe y duerme? ¿Son otros hombres como él?
Como dijo Richard Westfold en su muy respetada biografía Never Alone de Newton:
- Hasta 1687, Newton no era una persona famosa en los círculos filosóficos. Sin embargo, nada preparó al mundo de la filosofía natural para el surgimiento de sus Principios. Principios que se convirtieron en un punto de inflexión para el propio Newton, quien, después de veinte años de investigación, finalmente siguió de logro en logro. Principios que se han convertido en un punto de inflexión para la filosofía natural.
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Los principios newtonianos se convirtieron en la nueva ortodoxia y reinaron supremos durante más de 150 años. El primer desafío para la comprensión newtoniana del mundo se lanzó a un área de la física completamente inesperada y se asoció con el desarrollo de la comprensión de los fenómenos electromagnéticos. A mediados del siglo XIX, el físico escocés James Clark Maxwell logró una síntesis asombrosa de todo el conocimiento acumulado en este campo escribiendo sus cuatro famosas ecuaciones vectoriales. Estas ecuaciones proporcionaron además una comprensión del significado especial de la velocidad de la luz. Pero en ese momento, era imposible de entender. La velocidad absoluta de transmisión de la interacción contradecía claramente el principio de relatividad de Galileo, que era la piedra angular del modelo de espacio-tiempo de Newton. En ese momento, la mayoría de los físicos creían incondicionalmente en la verdad del mundo newtoniano y, por lo tanto, llegaron a la conclusión de que las ecuaciones de Maxwell solo se pueden cumplir en un cierto entorno llamado éter. Pero, al hacer tales declaraciones, volvieron involuntariamente a Aristóteles, quien afirmó que la estructura absoluta del espacio es inherente a la Naturaleza. Y en este estado, este problema duró unos 50 años.
Y ahora Albert Einstein, de 26 años, publica su famosa obra "Sobre la electrodinámica de los medios móviles". En este trabajo, Einstein aceptó la verdad de los valores de las constantes contenidas en las ecuaciones de Maxwell y, utilizando simples experimentos mentales, mostró claramente que la velocidad de la luz es una constante universal, que conserva su valor para todos los observadores inerciales. Mostró que el concepto de simultaneidad física absoluta es insostenible. Los eventos separados espacialmente que parecen ser simultáneos para un observador no lo son para otro observador que se mueve con relación al primero a una velocidad constante.
Quedó claro que el modelo newtoniano de espacio-tiempo solo puede ser una aproximación, válida en el caso en que las velocidades consideradas sean mucho menores que la velocidad de la luz. Ha surgido un nuevo modelo de espacio-tiempo, que incluye un nuevo principio de relatividad, llamado Teoría Especial de la Relatividad. Esta teoría tuvo un significado revolucionario en su época. Según ella, el tiempo ha perdido su posición absoluta en la física. El continuo espacio-tiempo tetradimensional se ha vuelto absoluto. Las distancias en el espacio-tiempo tetradimensional entre eventos están bien definidas, pero solo los intervalos temporales o solo espaciales entre eventos comenzaron a depender de la elección de un marco de referencia, es decir, de la velocidad de movimiento de un observador en relación con otro. La nueva teoría dio predicciones inusuales y espectaculares,que eran difíciles de percibir en ese momento. La energía y la masa perdieron su singularidad y pudieron transformarse entre sí, según la conocida fórmula E = mc2. Cabe señalar aquí que esta relación apareció por primera vez en 1895 en la obra de Henri Poincaré "Sobre la medición del tiempo", publicada en la revista filosófica parisina y, por lo tanto, no atrajo la atención de los físicos, pero adquirió su significado actual después de la obra de Einstein. Imagínese que la energía contenida en un gramo de materia pudiera iluminar una ciudad entera durante un año. Un gemelo, que dejó a su hermana en la Tierra y se movía en una nave espacial a una velocidad cercana a la de la luz, regresaría y descubriría que su hermana había envejecido varias décadas en comparación. Tan inesperadas fueron estas predicciones que muchos científicos de las principales universidades argumentaronque la teoría dada no puede ser viable. Sin embargo, estaban todos equivocados. Los reactores nucleares funcionan en la Tierra y las estrellas brillan en el cielo, convirtiendo la masa en energía, coincidiendo exactamente con la fórmula E = mc2. En los laboratorios de alta energía, las partículas inestables aceleradas a velocidades cercanas a la de la luz viven decenas y cientos de veces más que sus contrapartes que descansan en la tierra.
Sin embargo, a pesar de toda la naturaleza revolucionaria de la SRT, un aspecto del espacio-tiempo siguió siendo aristotélico. Seguía siendo un escenario pasivo para todos los eventos, un lienzo en el que las fuerzas impulsoras del Universo pintan su imagen. A mediados del siglo XIX, los matemáticos descubrieron que la geometría de Euclides, que todos estudiamos en la escuela, es una de las posibles geometrías. Esto llevó a la idea articulada con mayor claridad por Richard Riemann en 1854. Dijo que la geometría del espacio físico puede no obedecer a los axiomas de Euclides, pero puede estar curvada debido a la presencia de materia en el Universo. En sus ideas, el espacio dejó de ser pasivo y fue cambiado por la materia. Se necesitaron otros 61 años para que esta idea tuviera demanda.
Un acontecimiento tan importante fue la publicación por Einstein en 1915 de su Teoría general de la relatividad. En esta teoría, el espacio-tiempo tomó la forma de un continuo de cuatro dimensiones. La geometría de este continuo es curva y el grado de curvatura simula los campos gravitacionales en el continuo mismo. El espacio-tiempo ha dejado de ser inerte. Actúa sobre la materia y la materia actúa sobre ella. Como dijo el famoso físico estadounidense John Wheeler:
- La materia le dice al espacio-tiempo cómo doblarse y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse.
No hay más espectadores en la danza cósmica, no hay un trasfondo sobre el que se desarrollen todos los acontecimientos. La escena en sí se unió al elenco. Este es un cambio profundo en la cosmovisión. Dado que todos los sistemas físicos están ubicados en el espacio-tiempo, tal cambio de perspectiva sacudió todos los fundamentos de la filosofía natural. Los físicos tardaron muchas décadas en aceptar las múltiples aplicaciones de esta teoría, y los filósofos aceptaron una nueva comprensión del mundo que surgió de la Relatividad General.
2. La gravedad es geometría
“Es como si el muro que nos separaba de la verdad se hubiera derrumbado. Espacios más amplios y profundidades sin fondo se abren a la vista en busca de conocimiento, áreas de las que no teníamos ni idea”
Hermann Weil "Teoría general de la relatividad"
Se puede suponer que al escribir su obra, Einstein, aparentemente, se inspiró en dos hechos bastante simples. Primero, la universalidad de la gravedad, que fue demostrada por Galileo en sus famosos experimentos en la Torre inclinada de Pisa. La gravedad es universal, ya que todos los cuerpos de la torre cayeron por igual si solo la fuerza gravitacional actuara sobre ellos. En segundo lugar, la gravedad siempre se manifiesta como atracción. Esta propiedad la distingue fuertemente, por ejemplo, de la fuerza electrostática, que es descrita por la misma ley en forma que la ley de la gravitación universal y se manifiesta dependiendo del tipo de cargas que interactúan y como atracción y repulsión. Como resultado, si bien la fuerza electrostática se puede proteger y es bastante fácil crear áreas en las que no actuará,la gravedad no se puede filtrar en principio. Por tanto, la gravedad es omnipresente y actúa sobre todos los cuerpos de la misma forma. Estos dos hechos hablan de una fuerte diferencia entre la gravedad y otras interacciones fundamentales y sugieren que la gravedad es una manifestación de algo más profundo y universal. Debido a que el espacio-tiempo también es ubicuo y universal, Einstein sugirió que la gravedad se manifiesta no como una fuerza, sino como una curvatura de la geometría del espacio-tiempo. El espacio-tiempo en la Teoría General de la Relatividad es maleable y puede modelarse mediante una lámina de caucho bidimensional doblada por cuerpos masivos. Por ejemplo, el sol, al ser pesado, dobla fuertemente el espacio-tiempo. Los planetas, como todos los cuerpos que caen sobre la Tierra, se mueven a lo largo de trayectorias "rectas", pero solo en una geometría curva. En un sentido matemático preciso, siguen los caminos más cortos llamados líneas geodésicas; estas son generalizaciones de líneas rectas de la geometría plana de Euclides a la geometría curva de Riemann. Entonces, si consideramos un espacio-tiempo curvo, por ejemplo, la Tierra elegirá en dicho espacio la trayectoria óptima, que es un análogo completo de una línea recta. Pero, dado que el espacio-tiempo es curvo, en la proyección sobre el espacio plano de Euclides y Newton, esta trayectoria será elíptica.dado que el espacio-tiempo es curvo, en la proyección sobre el espacio plano de Euclides y Newton, esta trayectoria será elíptica.dado que el espacio-tiempo es curvo, en la proyección sobre el espacio plano de Euclides y Newton, esta trayectoria será elíptica.
El atractivo de la Teoría General de la Relatividad radica en el hecho de que, utilizando elegantes matemáticas, transformó estas ideas conceptualmente simples en ecuaciones concretas y utiliza estas ecuaciones para hacer predicciones asombrosas sobre la naturaleza de la realidad física. Ella predice que el reloj debería correr más rápido en Katmandú que en Yalta. Los núcleos galácticos deberían actuar como lentes gravitacionales gigantes y mostrarnos imágenes espectaculares y múltiples de cuásares distantes. Dos estrellas de neutrones que giran alrededor de un centro común deben perder energía debido a las ondas en el espacio-tiempo curvo causadas por su movimiento en espiral, convergiendo hacia un solo centro, seguido de su colisión. En los últimos años, se han llevado a cabo muchos experimentos para probar estas y predicciones aún más exóticas. Y cada vez prevaleció la Teoría General de la Relatividad. La precisión de algunos de los experimentos excedió la precisión de los experimentos legendarios sobre la detección de un cuanto del campo electromagnético. Esta combinación de profundidad conceptual, elegancia matemática y éxito observacional no tiene precedentes. Es por ello que la Teoría General de la Relatividad, por un lado, es considerada como una de las más elevadas teorías físicas y, por otro, despierta un interés considerable, como objeto de diversas y no siempre profesionales críticas.por qué la Teoría General de la Relatividad, por un lado, es considerada como una de las más elevadas teorías físicas y, por otro, despierta un interés considerable, como objeto de todo tipo y no siempre crítica profesional.por qué la Teoría General de la Relatividad, por un lado, es considerada como una de las teorías físicas más elevadas, y por otro, despierta un interés considerable, como objeto de todo tipo y no siempre crítica profesional.
3. Big bang y agujeros negros
“Los físicos lo han hecho bien, pero han demostrado las limitaciones de la intuición, sin la ayuda de las matemáticas. Descubrieron que comprender la naturaleza es muy difícil de avanzar. El progreso científico tuvo que pagarse con una admisión despectiva de que la realidad se construyó de tal manera que no sería fácilmente captada por la percepción humana”
Edward O. Wilson “Coincidencia. La unidad del conocimiento"
El advenimiento de la Teoría General de la Relatividad marcó el comienzo de la era de la cosmología moderna. A gran escala, el universo que nos rodea parece homogéneo e isotrópico. Esta visión es la mayor realización del principio copernicano: en nuestro universo no hay puntos elegidos ni dirección elegida. En 1922, utilizando las ecuaciones de Einstein, el matemático ruso Alexander Fridman demostró que tal universo no puede ser estático. Debe expandirse o colapsarse. En 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que el universo se estaba expandiendo. Este hecho, a su vez, implica que este proceso debe tener su comienzo, en el que la densidad de la gravedad y, en consecuencia, la curvatura del espacio-tiempo debe ser infinitamente grande. Surgió el concepto del Big Bang. Observación cuidadosa,especialmente durante los últimos 20 años han demostrado que este evento probablemente tuvo lugar hace 14 mil millones de años. Desde entonces, las galaxias se han ido separando y la gravedad media ha caído constantemente. Combinando nuestro conocimiento de la Teoría General de la Relatividad con la física de laboratorio, podemos hacer muchas predicciones detalladas. Por ejemplo, podemos calcular la cantidad relativa de elementos ligeros cuyos núcleos se formaron en los primeros tres minutos después de la explosión (ver, por ejemplo, aquí). Podemos predecir la existencia y las propiedades de la radiación primaria (fondo de microondas relicto) que se emitió cuando el universo tenía aproximadamente 400.000 años. Y podemos decir que las primeras galaxias se formaron cuando el universo tenía mil millones de años. ¡Una increíble variedad de tiempos y variedad de fenómenos!tuvo lugar hace 14 mil millones de años. Desde entonces, las galaxias se han ido separando y la gravedad media ha caído constantemente. 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Por ejemplo, podemos calcular la cantidad relativa de elementos ligeros, cuyos núcleos se formaron en los primeros tres minutos después de la explosión (ver, por ejemplo, aquí). Podemos predecir la existencia y propiedades de la radiación primaria (fondo de microondas reliquia) que se emitió cuando el universo tenía aproximadamente 400.000 años. Y podemos decir que las primeras galaxias se formaron cuando el universo tenía mil millones de años. ¡Una increíble variedad de tiempos y variedad de fenómenos!Combinando nuestro conocimiento de la Teoría General de la Relatividad con la física de laboratorio, podemos hacer muchas predicciones detalladas. Por ejemplo, podemos calcular la cantidad relativa de elementos ligeros cuyos núcleos se formaron en los primeros tres minutos después de la explosión (ver, por ejemplo, aquí). 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Además, la Teoría General de la Relatividad cambió el enfoque filosófico de la cuestión del Principio. Hasta 1915, este tema pudo debatirse cuando Emmanuel Kant argumentó que el universo podría no haber tenido un comienzo finito. Entonces podría plantearse la pregunta: ¿Qué había antes? Pero esta pregunta asume implícitamente que el espacio y el tiempo siempre han existido, y que el universo surgió junto con la materia. En la Teoría General de la Relatividad, no tiene sentido hacer tal pregunta, ya que el espacio-tiempo nace junto con la materia en el Big Bang. La pregunta "¿Qué había antes?" ya no significa nada. En un sentido preciso, el Big Bang es el límite donde termina el espacio-tiempo, donde se rompe el continuo espacio-tiempo. La Teoría General de la Relatividad en la época del Big Bang estableció un límite natural para la física que no permitía mirar más allá.
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Cuando se trata de agujeros negros, la Relatividad General también descubrió otras contingencias. La primera solución a la ecuación de Einstein que describe un agujero negro la obtuvo ya en 1916 el astrofísico alemán Karl Schwarzschild, que luchó en el ejército alemán en los frentes de la Primera Guerra Mundial. Sin embargo, comprender el significado físico de esta decisión tomó mucho tiempo. La forma más natural de formación de los agujeros negros es la muerte de las estrellas. Durante el resplandor de una estrella que quema combustible nuclear, la presión radial hacia afuera puede contrarrestar la gravedad. Pero después de que se haya quemado todo el combustible, la única fuerza que puede competir con la atracción gravitacional es la fuerza repulsiva generada por el principio de exclusión de la mecánica cuántica de Pauli. Durante su famoso viaje a Cambridge,Subrahmanyan Chandrasekhar, de veinte años, combinó los principios de la relatividad especial y la mecánica cuántica para demostrar que si una estrella es lo suficientemente masiva, la gravedad puede superar las fuerzas repulsivas generadas por el principio de exclusión de Pauli. Como resultado, la estrella completa su evolución como agujero negro. Durante los años treinta, corrigió y aumentó sus cálculos y proporcionó argumentos irrefutables a favor de un escenario de choque estelar. Sin embargo, el prominente astrofísico británico de la época, Arthur Eddington, no aceptó la idea de tal escenario y afirmó que con cálculos "correctos", la teoría especial de la relatividad simplemente no es aplicable. Hoy, incluso un estudiante reprobaría el examen si intentara dar tal razonamiento en su razonamiento. Los principales físicos cuánticos de la época, Borovskaya y Dirac, estuvieron de acuerdo con los resultados de Chandrasekhar, pero lo hicieron en cartas personales, sin pensar en señalar públicamente los errores de Eddington. Esto solo se corrigió en 1983 cuando Chandrasekhar recibió el Premio Nobel. Como resultado, este malentendido retrasó varias décadas no solo el reconocimiento del trabajo de Chandrasekhar, sino también la percepción de los agujeros negros como objetos reales.como objetos reales.como objetos reales.
Curiosamente, incluso el propio Einstein no percibió los agujeros negros. Ya en 1939, publicó un artículo en Annals of Mathematics, en el que argumentó que los agujeros negros no se pueden formar por el colapso de estrellas. Argumentó que los cálculos eran correctos, pero la conclusión era el resultado de una suposición poco realista. Solo unos meses después, los físicos estadounidenses Robert Oppenheimer y Hartland Snyder publicaron su trabajo ahora clásico, demostrando de manera irrefutable que las estrellas masivas completan su evolución con la formación de un agujero negro. Se ha demostrado que un agujero negro es una región en la que la curvatura del espacio-tiempo es tan fuerte que ni siquiera la luz puede salir de él. Por lo tanto, de acuerdo con la Teoría de la Relatividad General, estas áreas aparecen completamente negras para los observadores externos. Si recurrimos a la analogía de una superficie de goma bidimensional, resulta que la desviación del espacio-tiempo en un agujero negro resulta ser tan grande que realmente se rompe, formando una singularidad. Al igual que con el Big Bang, la curvatura se vuelve infinita. El espacio-tiempo forma el horizonte de sucesos y la física simplemente se detiene en este horizonte.
Y, sin embargo, aparentemente, los agujeros negros son objetos comunes en el universo. La Teoría General de la Relatividad, combinada con nuestro conocimiento del proceso de evolución estelar, predice que el Universo debería tener una gran cantidad de agujeros negros con masas del orden de 10 a 50 masas solares, que son el producto de la actividad vital de estrellas masivas. De hecho, los agujeros negros son actores destacados en la astronomía y la astrofísica modernas. Son fuentes poderosas de algunos de los fenómenos más energéticos del universo, como el famoso rayo gamma emitido por un enorme agujero negro. Este rayo transporta la energía que emiten 1000 soles durante toda su vida. Un agujero negro ocurre como resultado de una explosión de supernova que completa la vida de una estrella masiva. Y tal explosión se registra todos los días. Los centros de todas las galaxias elípticas parecen estarcontienen agujeros negros supermasivos con masas del orden de millones de masas solares. Nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, tiene un agujero negro en su centro con una masa de 3,2 millones de masas solares.
4. Después de Einstein
“De hecho, nuevas áreas de nuestra experiencia siempre conducirán a la cristalización de un nuevo sistema de conocimiento científico y leyes. Frente a nuevos y extraordinarios desafíos intelectuales, seguimos continuamente el ejemplo de Colón, que tuvo el valor de dejar el mundo conocido con la casi loca esperanza de descubrir la tierra al otro lado del mar.
V. Geisenberg "Cambios recientes en las ciencias exactas"
La Teoría General de la Relatividad es la mejor teoría de la gravedad y la estructura del espacio-tiempo que tenemos hoy. Puede describir una impresionante variedad de fenómenos, que van desde la gran expansión cósmica hasta el funcionamiento de un sistema de posicionamiento mundial en la Tierra. Pero esta teoría es incompleta ya que ignora los efectos cuánticos que gobiernan el mundo subatómico. Además, estas dos teorías son fundamentalmente diferentes. El mundo de la Teoría General de la Relatividad posee precisión geométrica, es determinista. A diferencia de este mundo, el mundo de la mecánica cuántica está sujeto a dudas, es probabilístico. Los físicos mantienen este estado feliz, casi esquizofrénico, utilizando la Relatividad General para describir fenómenos a gran escala en astronomía y cosmología.y teoría cuántica para describir las propiedades de los átomos y partículas elementales. Tenga en cuenta que esta es una estrategia bastante viable ya que estos dos mundos son muy raros. Pero, sin embargo, esta estrategia es, desde un punto de vista conceptual, muy insatisfactoria. Todo en nuestra experiencia física nos dice que debe haber una teoría mayor y más completa, de la cual tanto la Teoría General de la Relatividad como la Teoría Cuántica deben surgir como casos especiales y limitados. En lugar de tal teoría, afirma la teoría cuántica de la gravedad. Este es un problema urgente, siguiendo de manera absolutamente lógica el trabajo de Einstein. Contrariamente al punto de vista generalmente aceptado, formado como resultado de comentarios posteriores de Einstein sobre el carácter incompleto de la mecánica cuántica, él conocía claramente esta limitación de la Teoría General de la Relatividad. Maravilloso,¡pero Einstein señaló la necesidad de crear una teoría cuántica de la gravedad en 1916! En un artículo publicado en Preussische Akademie Sitzungsberichte, escribió:
- Sin embargo, debido al movimiento intraatómico de los electrones, los átomos debían emitir no solo energía electromagnética, sino también gravitacional, pero solo en pequeñas cantidades. Dado que todo es uno en la naturaleza, parece que la teoría cuántica tendría que cambiar no solo la electrodinámica de Maxwell, sino también la nueva teoría de la gravitación.
En el Big Bang y en la singularidad del agujero negro, los mundos muy grandes y muy pequeños se encuentran. Por tanto, aunque en el momento actual este encuentro es un secreto para nosotros, sellado con siete sellos, pero es esa la puerta por la que podemos ir más allá de la Teoría General de la Relatividad. Actualmente se cree que la física real no puede detenerse en el umbral del horizonte de sucesos. Lo más probable es que sea la Teoría General de la Relatividad la que falla allí. Está claro que la física teórica debe revisar una vez más nuestra comprensión del espacio-tiempo. Necesitamos un nuevo lenguaje que pueda mirar más allá de estas puertas de lo desconocido.
La creación de este lenguaje se considera el desafío más serio e importante al que se enfrenta la física fundamental en la actualidad. En la actualidad, existen varios enfoques en esta dirección. Uno de ellos está relacionado con la teoría de cuerdas, pero nos centraremos en el concepto de gravedad cuántica de bucles. Este es un enfoque para construir una teoría cuántica que surgió hace más de 20 años en los trabajos del físico indio Abhay Ashtekar y actualmente se cree que es una alternativa al enfoque de cuerdas para resolver este problema.
En la Teoría General de la Relatividad, el espacio-tiempo es un continuo. La idea principal detrás de la gravedad de bucle cuántico es la afirmación de que este continuo es solo una aproximación que se rompe en las llamadas distancias de Planck. La longitud de Planck es una cantidad única que se puede construir a partir de la constante gravitacional, la constante de Planck en física cuántica y la velocidad de la luz. Esta longitud es de 3,10 a 33 cm, que es 20 órdenes de magnitud menor que el radio del protón. Por lo tanto, incluso en los aceleradores de partículas más potentes de la Tierra, puede trabajar con seguridad con el continuo espacio-tiempo. Pero esta situación cambia drásticamente, en particular, cerca del Big Bang y en los agujeros negros. En tales casos, es necesario utilizar un espacio-tiempo cuantificado, cuyo cuanto es el cuanto de gravedad de bucle.
Tratemos de comprender qué es un cuanto de espacio-tiempo. Pasemos a la hoja de papel que tenemos delante. Para nosotros, parece un continuo sólido bidimensional. Pero también sabemos que está formado por átomos. Esta hoja tiene una estructura discreta que se convierte en solo una declaración si no la miramos, por ejemplo, con un microscopio electrónico. Ahora más. Einstein argumentó que la geometría del espacio-tiempo no es menos física que la materia. Y por lo tanto, también debe tener una estructura "atómica". Esta suposición hizo posible a mediados de los años 90 combinar los principios de la Teoría General de la Relatividad con la física cuántica y crear geometría cuántica. Así como la geometría continua proporciona el lenguaje matemático para formular la Teoría General de la Relatividad,de modo que la geometría cuántica proporciona una herramienta matemática y genera nuevos conceptos físicos para describir los tiempos cósmicos cuánticos.
En geometría cuántica, las primarias son las fundamentales cerradas en un anillo, las excitaciones geométricas, que son unidimensionales. La tela ordinaria parece ser un continuo bidimensional suave, pero se basa en hilos unidimensionales. Se puede hacer una suposición similar con respecto a un continuo de dimensiones superiores. En un nivel puramente intuitivo, las excitaciones geométricas fundamentales pueden verse como hilos cuánticos que pueden tejerse para crear la estructura misma del espacio-tiempo. ¿Qué sucede cuando estamos cerca de la singularidad espacio-temporal? Está claro que en esta área el concepto mismo del continuo espacio-tiempo simplemente no es aplicable. Las fluctuaciones cuánticas en esta área son tan enormes que los hilos cuánticos simplemente no pueden "congelarse" en el continuo espacio-tiempo. El tejido del espacio-tiempo se rompe. La física del continuo espacio-tiempo se "fija" en los restos del tejido espacio-tiempo. Al mismo tiempo, queda claro que los propios hilos, que constituyen la base del tejido del universo, adquieren un significado especial. Usando la ecuación cuántica de Einstein, todavía se puede estudiar física, describir los procesos que tienen lugar en el mundo cuántico. Pero hay un punto importante aquí. El punto es que, en ausencia de un continuo espacio-tiempo, muchos de los conceptos comúnmente utilizados en física se vuelven simplemente incorrectos. Es necesario introducir en consideración nuevos conceptos que reemplacen o complementen los descartados, y esto requiere una nueva intuición física. Y en condiciones tan dramáticas, el camino está allanado para las ecuaciones cuánticas de Einstein. La física del continuo espacio-tiempo se "fija" en los restos del tejido espacio-tiempo. Al mismo tiempo, queda claro que los propios hilos, que constituyen la base del tejido del universo, adquieren un significado especial. Usando la ecuación cuántica de Einstein, todavía se puede estudiar física, describir los procesos que tienen lugar en el mundo cuántico. Pero hay un punto importante aquí. El punto es que, en ausencia de un continuo espacio-tiempo, muchos de los conceptos comúnmente utilizados en física se vuelven simplemente incorrectos. Es necesario introducir en consideración nuevos conceptos que reemplacen o complementen a los descartados, y esto requiere una nueva intuición física. Y en condiciones tan dramáticas, el camino está allanado para las ecuaciones cuánticas de Einstein. La física del continuo espacio-tiempo está “fijada” en los remanentes del tejido espacio-temporal. Al mismo tiempo, queda claro que los propios hilos, que constituyen la base del tejido del universo, adquieren un significado especial. Usando la ecuación cuántica de Einstein, todavía se puede estudiar física, describir los procesos que tienen lugar en el mundo cuántico. Pero hay un punto importante aquí. El punto es que, en ausencia de un continuo espacio-tiempo, muchos de los conceptos comúnmente usados en física se vuelven simplemente incorrectos. Es necesario introducir en consideración nuevos conceptos que reemplacen o complementen a los descartados, y esto requiere una nueva intuición física. Y en condiciones tan dramáticas, el camino está allanado para las ecuaciones cuánticas de Einstein.adquieren un significado especial. Usando la ecuación cuántica de Einstein, todavía se puede estudiar física, describir los procesos que tienen lugar en el mundo cuántico. Pero hay un punto importante aquí. El hecho es que, en ausencia de un continuo espacio-tiempo, muchos de los conceptos comúnmente usados en física se vuelven simplemente incorrectos. Es necesario introducir en consideración nuevos conceptos que reemplacen o complementen los descartados, y esto requiere una nueva intuición física. Y en condiciones tan dramáticas, el camino está allanado para las ecuaciones cuánticas de Einstein.adquieren un significado especial. Usando la ecuación cuántica de Einstein, todavía se puede estudiar física, describir los procesos que tienen lugar en el mundo cuántico. Pero hay un punto importante aquí. El hecho es que, en ausencia de un continuo espacio-tiempo, muchos de los conceptos comúnmente usados en física se vuelven simplemente incorrectos. Es necesario introducir en consideración nuevos conceptos que reemplacen o complementen a los descartados, y esto requiere una nueva intuición física. Y en condiciones tan dramáticas, el camino está allanado para las ecuaciones cuánticas de Einstein. Es necesario introducir en consideración nuevos conceptos que reemplacen o complementen los descartados, y esto requiere una nueva intuición física. Y en condiciones tan dramáticas, el camino está allanado para las ecuaciones cuánticas de Einstein. Es necesario introducir en consideración nuevos conceptos que reemplacen o complementen a los descartados, y esto requiere una nueva intuición física. Y en condiciones tan dramáticas, el camino está allanado para las ecuaciones cuánticas de Einstein.
Con base en estas ecuaciones, fue posible aclarar algunos detalles del Big Bang. Resultó que las ecuaciones diferenciales de Einstein, escritas para el continuo espacio-tiempo, deben ser reemplazadas por ecuaciones diferenciales escritas en el lenguaje de la estructura discreta de la geometría cuántica. El problema es que las ecuaciones estándar de Einstein, que describen perfectamente el espacio-tiempo clásico, dejan de funcionar por completo cuando se acercan al Big Bang, cuando la densidad de la materia se acerca a la densidad de Planck de 1094 g / cm3 en orden de magnitud. En geometría cuántica, la curvatura del espacio-tiempo en el régimen de Planck se vuelve muy grande, pero finita. Sorprendentemente, los efectos de la geometría cuántica generan una nueva fuerza repulsiva que es tan grandeque supera fácilmente la fuerza de la gravedad. La Teoría General de la Relatividad deja de funcionar. El universo se expande. Las ecuaciones cuánticas de Einstein permiten desarrollar la geometría cuántica y construir una descripción correcta de la materia en el régimen de Planck, sin dejar lugar para un concepto no físico como la singularidad. El Big Bang es reemplazado por un poderoso choque cuántico.
Se realizó un cálculo numérico del proceso en el caso isotrópico espacialmente homogéneo sobre la base de las ecuaciones cuánticas de Einstein. El continuo espacio-tiempo se calculó fuera del régimen de Planck y en el "otro" lado del Big Bang. En la llamada rama de la explosión “pre-grande”. Resultó que este continuo encogimiento también está bien descrito por la Teoría General de la Relatividad. Sin embargo, cuando la densidad de la materia se vuelve igual a 0,8 de la densidad de Planck, la fuerza repulsiva generada por la geometría cuántica, que antes era insignificante, se vuelve dominante. Y en lugar de colapsar en un punto, el Universo está experimentando un fuerte impacto cuántico, traduciendo el proceso en una rama en expansión del “post-big” bang, en el que vivimos ahora. La Teoría de la Relatividad General Clásica describe muy bien ambas ramas, excepto cuando
La aparición de una fuerza repulsiva de naturaleza cuántica en el momento de un impacto cuántico tiene una analogía interesante con la aparición de una fuerza repulsiva en el proceso de muerte de una estrella. En el caso de que la fuerza repulsiva comience a prevalecer sobre la gravitacional, cuando el núcleo de la estrella alcance una densidad crítica de 6x1016 g / cm3, puede evitar el colapso de la estrella en un agujero negro y convertirla en una estrella de neutrones estable. Esta fuerza repulsiva es generada por el principio de exclusión de Pauli y está directamente relacionada con la naturaleza cuántica del proceso que tiene lugar. Sin embargo, si la masa de la estrella moribunda resulta ser superior a 5 veces la masa del Sol, la gravedad supera esta fuerza y la estrella colapsa en un agujero negro. Surge una singularidad. La fuerza repulsiva generada por la geometría cuántica entra en juego en densidades de materia más altas,pero al mismo tiempo supera la compresión gravitacional sin importar cuán masivo sea el cuerpo que colapsa. De hecho, ¡este cuerpo puede ser todo el Universo! El atractivo de la gravedad de bucle cuántico es que al predecir este efecto, evita que se formen singularidades en el mundo real al extender la “vida” de nuestro espacio-tiempo a través de un puente cuántico.
Gracias a Einstein, en el siglo XX, la comprensión del espacio y el tiempo sufrió una revisión radical. La geometría del continuo espacio-tiempo se ha vuelto tan física como lo era antes la materia. Esta comprensión abrió nuevas perspectivas en cosmología y astronomía. Pero en nuestro siglo nos esperan cambios no menos dramáticos en la comprensión del espacio-tiempo. Gracias a la geometría cuántica, el Big Bang y los agujeros negros para la física ya no están rodeados de límites de inaccesibilidad. El espacio-tiempo cuántico físico es mucho más grande que la relatividad general. La existencia de una conexión entre estas teorías nos permite hablar de la consistencia de la gravedad de bucle cuántico. Esta coherencia nos permite sacar conclusiones bastante definidas sobre la física del origen de nuestro Universo y sobre la física de los agujeros negros. Pueden surgir posibilidades aún más interesantes como resultado del mayor desarrollo de esta teoría.
