La gente siempre da por sentado el espacio. Después de todo, es solo un vacío, un contenedor para todo lo demás. El tiempo también pasa continuamente. Pero los físicos son esas personas, siempre necesitan complicar algo. Tratando regularmente de unificar sus teorías, descubrieron que el espacio y el tiempo se fusionan en un sistema tan complejo que una persona común no puede entender.
Albert Einstein se dio cuenta de lo que nos esperaba en noviembre de 1916. Un año antes, formuló la teoría general de la relatividad, según la cual la gravedad no es una fuerza que se propaga en el espacio, sino una propiedad del propio espacio-tiempo. Cuando lanzas la pelota al aire, vuela en un arco y regresa al suelo, porque la Tierra dobla el espacio-tiempo a su alrededor, por lo que los caminos de la pelota y el suelo volverán a cruzarse. En una carta a un amigo, Einstein discutió el problema de fusionar la relatividad general con su otra creación, la naciente teoría de la mecánica cuántica. Pero sus habilidades matemáticas simplemente no eran suficientes. “¡Cómo me torturé con esto!”, Escribió.
Einstein nunca llegó a ninguna parte en este sentido. Incluso hoy, la idea de crear una teoría cuántica de la gravedad parece extremadamente distante. Las disputas ocultan una verdad importante: todos los enfoques competitivos dicen que el espacio está naciendo en algún lugar más profundo, y esta idea rompe la comprensión científica y filosófica que se ha establecido durante 2500 años.
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Por el agujero negro
Un imán de nevera corriente ilustra perfectamente el problema al que se enfrentan los físicos. Puede fijar un trozo de papel y resistir la gravedad de toda la Tierra. La gravedad es más débil que el magnetismo u otra fuerza eléctrica o nuclear. Cualesquiera que sean los efectos cuánticos detrás de esto, serán más débiles. La única evidencia tangible de que estos procesos tienen lugar es la imagen abigarrada de la materia en el universo más antiguo, que se cree que fue dibujado por fluctuaciones cuánticas en el campo gravitacional.
Los agujeros negros son la mejor forma de probar la gravedad cuántica. “Esto es lo más apropiado para experimentar”, dice Ted Jacobson de la Universidad de Maryland, College Park. Él y otros teóricos estudian los agujeros negros como ejes teóricos. ¿Qué sucede cuando tomas ecuaciones que funcionan perfectamente en un laboratorio y las colocas en las situaciones más extremas imaginables? ¿Habrá algunos defectos sutiles?
La teoría general predice relativamente que la materia que cae en un agujero negro se contraerá infinitamente a medida que se acerque a su centro, un callejón sin salida matemático llamado singularidad. Los teóricos no pueden imaginar la trayectoria de un objeto más allá de la singularidad; todas las líneas convergen en él. Incluso hablar de él como un lugar es problemático, porque el propio espacio-tiempo, que determina la ubicación de la singularidad, deja de existir. Los científicos esperan que la teoría cuántica pueda proporcionarnos un microscopio que nos permita examinar este punto infinitesimal de densidad infinita y comprender qué sucede con la materia que cae en él.
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En el borde de un agujero negro, la materia aún no está tan comprimida, la gravedad es más débil y, hasta donde sabemos, todas las leyes de la física deberían funcionar. Y lo más desalentador es el hecho de que no funcionan. El agujero negro está limitado por el horizonte de eventos, el punto sin retorno: la materia que cruza el horizonte de eventos nunca regresará. El descenso es irreversible. Esto es un problema porque todas las leyes conocidas de la física fundamental, incluidas las de la mecánica cuántica, son reversibles. Al menos en principio, en teoría, debería poder revertir el movimiento y restaurar cualquier partícula que tuviera.
Los físicos se enfrentaron a un enigma similar a finales del siglo XIX cuando consideraron las matemáticas de un "cuerpo negro", idealizado como una cavidad llena de radiación electromagnética. La teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell predijo que tal objeto absorbería toda la radiación que cayera sobre él y nunca entraría en equilibrio con la materia circundante. “Puede absorber una cantidad infinita de calor de un depósito que se mantiene a una temperatura constante”, explica Raphael Sorkin del Instituto Perimetral de Física Teórica en Ontario. Desde un punto de vista térmico, tendrá una temperatura de cero absoluto. Esta conclusión contradice las observaciones de cuerpos negros reales (como el horno). Continuando con el trabajo sobre la teoría de Max Planck, Einstein demostró que un cuerpo negro puede alcanzar el equilibrio térmico,si la energía de radiación vendrá en unidades discretas o cuantos.
Los físicos teóricos han intentado durante casi medio siglo lograr una solución similar para los agujeros negros. El fallecido Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge dio un paso importante a mediados de los 70 al aplicar la teoría cuántica al campo de radiación alrededor de los agujeros negros y demostrar que tienen temperaturas distintas de cero. Por lo tanto, no solo pueden absorber, sino también emitir energía. Aunque su análisis atornilló los agujeros negros en el ámbito de la termodinámica, también exacerbó el problema de la irreversibilidad. La radiación saliente se emite en el borde del agujero negro y no transporta información desde el interior. Ésta es energía térmica aleatoria. Si invierte el proceso y alimenta esta energía a un agujero negro, no aparece nada: simplemente obtiene aún más calor. Y es imposible imaginar que quede algo en el agujero negro, simplemente atrapado, porque a medida que el agujero negro emite radiación, se contrae y,según el análisis de Hawking, finalmente desaparece.
Este problema se llama paradoja de la información, porque el agujero negro destruye la información sobre las partículas que han entrado en él, que podrías intentar recuperar. Si la física de los agujeros negros es verdaderamente irreversible, algo tiene que llevar la información de regreso, y nuestro concepto de espacio-tiempo puede tener que modificarse para adaptarse a ese hecho.
Átomos del espacio-tiempo
El calor es el movimiento aleatorio de partículas microscópicas como moléculas de gas. Dado que los agujeros negros pueden calentarse y enfriarse, sería razonable suponer que están formados por partes o, más generalmente, por una estructura microscópica. Y dado que un agujero negro es simplemente un espacio vacío (según la relatividad general, la materia que cae en un agujero negro pasa a través del horizonte de sucesos sin detenerse), las partes de un agujero negro deben ser partes del propio espacio. Y debajo de la engañosa simplicidad del espacio plano y vacío, hay una tremenda complejidad.
Incluso las teorías que se suponía que debían preservar la visión tradicional del espacio-tiempo han llegado a la conclusión de que algo acecha bajo esta superficie lisa. Por ejemplo, a fines de la década de 1970, Steven Weinberg, ahora en la Universidad de Texas en Austin, trató de describir la gravedad de la misma manera que otras fuerzas de la naturaleza la describen. Y descubrí que el espacio-tiempo se ha modificado radicalmente en su escala más pequeña.
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Los físicos originalmente visualizaron el espacio microscópico como un mosaico de pequeños pedazos de espacio. Si los aumenta a la escala de Planck, inconmensurablemente pequeño en tamaño de 10 a 35 metros, los científicos creen que puede ver algo como un tablero de ajedrez. O tal vez no. Por un lado, tal red de líneas de espacio ajedrecístico preferirá una dirección a otra, creando asimetrías que contradicen la teoría especial de la relatividad. Por ejemplo, la luz de diferentes colores se moverá a diferentes velocidades, como en un prisma de vidrio que divide la luz en los colores que la componen. Y aunque las manifestaciones a pequeña escala serán muy difíciles de notar, las violaciones de la relatividad general serán francamente obvias.
La termodinámica de los agujeros negros cuestiona la imagen del espacio como un simple mosaico. Al medir el comportamiento térmico de cualquier sistema, puede contar sus partes, al menos en principio. Libera energía y mira el termómetro. Si la columna ha despegado, la energía debe distribuirse a relativamente pocas moléculas. De hecho, está midiendo la entropía de un sistema, lo que representa su complejidad microscópica.
Si hace esto con una sustancia ordinaria, el número de moléculas aumenta con el volumen del material. Entonces, en cualquier caso, debería ser: si aumenta el radio de una pelota de playa en 10 veces, cabrá 1000 veces más moléculas en su interior. Pero si aumenta el radio de un agujero negro 10 veces, la cantidad de moléculas que contiene se multiplicará solo 100 veces. El número de moléculas que lo componen no debe ser proporcional a su volumen, sino a la superficie. Un agujero negro puede parecer tridimensional, pero se comporta como un objeto bidimensional.
Este extraño efecto se llama principio holográfico, porque se asemeja a un holograma, que vemos como un objeto tridimensional, pero al examinarlo más de cerca resulta ser una imagen producida por una película bidimensional. Si el principio holográfico tiene en cuenta los componentes microscópicos del espacio y su contenido, lo que los físicos admiten, aunque no todos, no será suficiente crear espacio simplemente conectando las piezas más pequeñas.
Telaraña enredada
En los últimos años, los científicos se han dado cuenta de que debe estar involucrado el entrelazamiento cuántico. Esta profunda propiedad de la mecánica cuántica, un tipo de conexión extremadamente poderoso, parece mucho más primitiva que el espacio. Por ejemplo, los experimentadores pueden crear dos partículas que vuelan en direcciones opuestas. Si se enredan, permanecerán conectados independientemente de la distancia que los separe.
Tradicionalmente, cuando la gente hablaba de gravedad "cuántica", se referían a discreción cuántica, fluctuaciones cuánticas y todos los demás efectos cuánticos, no al entrelazamiento cuántico. Todo ha cambiado gracias a los agujeros negros. Durante la vida de un agujero negro, las partículas entrelazadas entran en él, pero cuando el agujero negro se evapora por completo, los socios fuera del agujero negro permanecen enredados, sin nada. "Hawking debería haberlo llamado un problema de enredos", dice Samir Mathur de la Universidad Estatal de Ohio.
Incluso en el vacío, donde no hay partículas, los campos electromagnéticos y de otro tipo se enredan internamente. Si mide el campo en dos ubicaciones diferentes, sus lecturas fluctuarán ligeramente, pero permanecerán en coordinación. Si divide el área en dos partes, estas partes estarán en correlación, y el grado de correlación dependerá de la propiedad geométrica que tengan: el área de la interfaz. En 1995, Jacobson afirmó que el entrelazamiento proporciona un vínculo entre la presencia de materia y la geometría del espacio-tiempo, lo que significa que podría explicar la ley de la gravedad. "Más entrelazamiento significa menos gravedad", dijo.
Algunos enfoques de la gravedad cuántica, especialmente la teoría de cuerdas, ven el entrelazamiento como una piedra angular importante. La teoría de cuerdas aplica el principio holográfico no solo a los agujeros negros, sino al universo en su conjunto, proporcionando una receta para crear espacio, o al menos parte de él. El espacio bidimensional original servirá como límite de un espacio volumétrico más grande. Y el enredo atará el espacio volumétrico en un todo único y continuo.
En 2009, Mark Van Raamsdonk de la Universidad de Columbia Británica brindó una elegante explicación de este proceso. Suponga que los campos en el límite no están entrelazados, forman un par de sistemas fuera de correlación. Corresponden a dos universos separados, entre los cuales no hay forma de comunicación. Cuando los sistemas se entrelazan, se forma una especie de túnel, un agujero de gusano, entre estos universos y las naves espaciales pueden moverse entre ellos. Cuanto mayor sea el enredo, menor será la longitud del agujero de gusano. Los universos se fusionan en uno y ya no son dos separados. "El advenimiento del gran espacio-tiempo vincula directamente el entrelazamiento con estos grados de teoría de la libertad de campo", dice Van Raamsdonck. Cuando vemos correlaciones en campos electromagnéticos y de otro tipo, son el remanente de la cohesión que une el espacio.
Muchas otras características del espacio, además de estar conectadas, también pueden reflejar un enredo. Van Raamsdonk y Brian Swingle de la Universidad de Maryland sostienen que la omnipresencia del entrelazamiento explica la universalidad de la gravedad, que afecta a todos los objetos y penetra en todas partes. En el caso de los agujeros negros, Leonard Susskind y Juan Maldacena creen que el enredo entre el agujero negro y la radiación que emite crea un agujero de gusano, la entrada negra al agujero negro. Así, la información se conserva y la física de un agujero negro es irreversible.
Aunque estas ideas de la teoría de cuerdas solo funcionan para geometrías específicas y reconstruyen solo una dimensión del espacio, algunos científicos han tratado de explicar el espacio desde cero.
En física, y en general, en las ciencias naturales, el espacio y el tiempo son la base de todas las teorías. Pero nunca notamos directamente el espacio-tiempo. Más bien, deducimos su existencia de nuestra experiencia diaria. Suponemos que la explicación más lógica para los fenómenos que vemos será algún mecanismo que funcione en el espacio-tiempo. Pero la gravedad cuántica nos dice que no todos los fenómenos encajan perfectamente en tal imagen del mundo. Los físicos necesitan comprender qué es aún más profundo, los entresijos del espacio, la parte trasera de un espejo liso. Si tienen éxito, pondremos fin a la revolución que inició Einstein hace más de un siglo.
Ilya Khel
