Fuera de la estructura

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Artículo publicado por Tom Siegfried el 23 de abril de 2011 en Science News

¿El espacio y el tiempo son fundamentales?

De todos los misterios de la vida y el universo, ninguno se resiste más obstinadamente a los mejores ojos de los sabuesos de la ciencia, que la naturaleza final del espacio y el tiempo.

Cada varios siglos aproximadamente, tienen lugar profundas visiones, inmortalizando los nombres de los investigadores que las lograron: Euclides (que catalogó las visiones que le precedieron), Galileo, Newton, Einstein. Aunque cada avance deja cuestiones más profundas sin resolver. Y ahora, los mejores cerebros del siglo XXI, aún no pueden decir con seguridad si el espacio y el tiempo son bloques básicos de la existencia natural, o si ellos mismos están construidos a partir de ingredientes más primordiales, hasta el momento, imperceptibles.

Espacio-tiempo


Newton simplemente declaró el espacio y el tiempo como absolutos y constantes, proporcionando una arena adecuada para el funcionamiento de sus leyes de movimiento y gravedad. Einstein vio, y demostró, que el espacio y el tiempo en realidad cambian de forma o velocidad conforme se desarrollan los acontecimientos; la masa y el movimiento curvan el espacio y alteran el flujo del tiempo.

Para solventar estos inconvenientes se requería de una fusión, espacio y tiempo se convirtieron en espacio-tiempo. De esa fusión surgió un bonus: Un modelo para la evolución del cosmos, desde una mota inicial de materia y energía a una gigantesca red multigaláctica.

Actualmente, sin embargo, la capacidad del espacio-tiempo para acomodar los fenómenos naturales ha empezado a apagarse, conforme los físicos llevan sus sondas hasta los límites de distancia y duración. Por debajo de cierta minúscula distancia, la dimensión de la longitud no puede explorarse más allá, ni siquiera definirse. El tiempo se enfrenta a un límite similar cuando la duración se aproxima a lo muy breve.

Las teorías principales actuales para responder estas grandes cuestiones cósmicas, sugieren que ni el espacio ni el tiempo parecen la receta final de la realidad. En algún punto entre la estufa y la mesa, surgen el espacio y el tiempo, cocinadas a partir de un conjunto de ecuaciones subyacentes a una existencia sin reglas de medir ni relojes. Al menos ésta es “la creencia actual más extendida”, dice el físico Joe Polchinski del Instituto Kavli para Física Teórica en la Universidad de California en Santa Bárbara.

El espacio como sociedad

Para ilustrar esto, Fotini Markopoulou del Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, Canadá, compara el espacio con la sociedad. El espacio, como la sociedad, tiene características que pueden describirse – los libros de texto de geometría catalogan las propiedades del espacio y sus implicaciones. Pero el espacio, tal y como se refleja en geometría, no necesitaba estar presente al inicio. Podría haber surgido a partir de interacciones de materia y fuerzas, de la misma forma que la sociedad se materializa a partir de las interacciones entre personas.

“Tenemos sociedades capitalistas, agrícolas, totalitarias”, escribe Markopoulou en un artículo de 2008 (arXiv.org/abs/0909.1861). Nadie queda confundido por frases tales como “nuestra sociedad es adicta al crédito”. Pero eso ni significa que la sociedad sea una característica fundamental de la existencia.

“Una sociedad no existe de manera independiente a sus miembros”, señala Markopoulou. “Podemos ver la geometría del espacio-tiempo como el análogo de la sociedad, con el papel de individuos desempeñado por la materia y su dinámica”.

Como señala Polchinski, especificar el estatus del espacio-tiempo en relación con la materia es parte de la búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica – las matemáticas que unificarían la teoría de la relatividad de Einstein, que describe el espacio-tiempo a gran escala, con la física cuántica que gobierna el micromundo. Una pista clave en esta búsqueda es una correspondencia entre la superficie de un agujero negro, un pozo sin fondo gravitatorio del que nada escapa, y el espacio en su interior. Resulta que una descripción matemática del límite exterior del agujero negro (el punto de no retorno para los objetos que caen en él) contiene toda la información necesaria para especificar las tres dimensiones del interior. En esencia, esto significa que el espacio 3-D dentro de algo emerge a partir de la física de la superficie 2-D.

El tiempo materializado

Generalizar las peculiaridades de los agujeros negros al espacio y tiempo común sigue siendo un desafío investigador para los físicos que trabajan con gravedad cuántica. Pero la mayor parte están de acuerdo en que antes o después el espacio y el tiempo tendrán que marcharse. La Teoría de Cuerdas – la aproximación más estudiada a la gravedad cuántica – ofrece varios ejemplos de cómo el espacio, en lugar de ser fundamental, surge a la existencia, como esbozó el físico Nathan Seiberg del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, en un artículo de 2006 (arXiv.org/abs/hep-th/0601234).

Si la materia en su composición más básica está formada de diminutas cuerdas vibrantes, por ejemplo, se hace imposible estudiar el espacio a una distancia arbitrariamente pequeña, observa Seiberg. Ésta es otra forma de decir que a distancias menores que una distancia dada (muy corta), la idea de espacio pierde su sentido.

Un mayor estudio de teorías sin espacio puede que ayuden a resolver algunos serios problemas a los que se enfrentan los físicos actuales, cree Seiberg. La Teoría de Cuerdas implica incontables estados posibles de vacío – es decir, espacios de distintas propiedades físicas – sin un método obvio para determinar cuál debería haber elegido el universo visible. Saber cómo surge el espacio a partir de un estado sin espacio podría ayudar a explicar por qué los humanos existen en un espacio particular entre las incontables posibilidades.

Librarse del tiempo supone problemas más difíciles, reconoce Seiberg. Las nociones básicas de la física, tales como que las causas preceden a los efectos, o predecir la salida de un experimento antes de que se realice, parecen perder su significado su no hay tiempo para definir antes y después. Por lo que algunos físicos, por ejemplo Markopoulou, han sugerido que incluso si el espacio es emergente, el tiempo puede seguir siendo fundamental. De hecho, conjetura que el tiempo es necesario para permitir que los procesos cuánticos creen la ilusión del espacio. El espacio puede que no estuviese por allí en el inicio, pero ese inicio sería aún un nonato sin tiempo para que la realidad se iniciara.

Seiberg, sin embargo, cree que espacio y tiempo desaparecerán en el desagüe cósmico juntos.

“Mi prejuicio personal es que estas objeciones y cuestiones no son obstáculos para un tiempo emergente”, escribe Seiberg. “En lugar de esto, deberían verse como desafíos y, tal vez, incluso como pistas para las respuestas”.

Más intrigante aún, señala, es que el estatus final del espacio y el tiempo en la naturaleza puede tener algo que decir sobre la práctica de la ciencia. Gran parte de la ciencia moderna se basa en el concepto de reduccionismo – explicar los fenómenos a gran escala a partir de las leyes que funcionan a escalas menores. Esta idea, finalmente colapsará su hay una escala mínima por debajo de la cual el espacio deja de existir.

“Por tanto, una vez comprendamos cómo surge el espacio-tiempo, podríamos buscar leyes aún más básicas, pero estas leyes no operarían a distancias más cortas”, escribe. “Esto se sigue del simple hecho de que la noción de “distancias más cortas” dejaría de tener sentido. Esto podría significar el final del reduccionismo estándar”. Y el principio de una nueva visión no sólo del espacio, sino de la propia ciencia.

Tan pequeño como pueda ser

Las actuales teorías son incapaces de describir el espacio y el tiempo por debajo de ciertos límites definidos por lo que llamamos “unidades naturales”. Estas unidades, propuestas por el físico alemán Max Planck, se derivan de cantidades fundamentales como la velocidad de la luz. Una teoría que unifique mecánica cuántica con gravedad tendrá que revelar si es espacio y el tiempo son conceptos con sentido a escalas menores.

Longitud de Planck: 1,616 x 10–35 metros

La longitud de Planck se deriva de la constante gravitatoria de Newton, la velocidad de la luz y la propia constante de Planck de la teoría cuántica. Es increíblemente pequeña: Comparar su tamaño con el de una bacteria es como comparar el tamaño de una bacteria con el del universo visible. Muchos físicos creen que a longitudes más cortas el espacio no puede estudiarse, y la idea de distancia pierde su sentido.

Tiempo de Planck: 5,391 x 10–44 segundos

El tiempo de Planck también se calcula a partir de la constante gravitatoria, la velocidad de la luz y la constante de Planck, de tal forma que moverse a una longitud de Planck cada tiempo de Planck sería igual a moverse a la velocidad de la luz. Las actuales teorías serían incapaces de describir el universo a una edad menor que el tiempo de Planck; los físicos esperan que una teoría de la gravedad cuántica pudiera iluminar tal época.


Autor: Tom Siegfried
Fecha Original: 23 de abril de 2011
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