Pasado, presente, y futuro del espacio-tiempo

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Artículo publicado por Nola Taylor Redd el 31 de diciembre de 2015 en SPACE.com

Cuando damos las coordenadas de un lugar, la mayoría de nosotros proporcionamos la latitud, longitud y, quizás, altitud. Pero existe una cuarta dimensión a menudo olvidada: el tiempo. La combinación de las coordenadas físicas junto al elemento temporal crea un concepto conocido como espacio-tiempo, un contexto para todos los eventos del universo.

Ondas gravitatorias

Ondas gravitatorias

“En la física, el espacio-tiempo es el modelo matemático que combina el espacio y el tiempo en un único continuo entrelazado por todo el universo”, explica Eric Davis, físico que trabaja en el Instituto para Estudios Avanzados en Austin, y con la Fundación Tau Zero, a Space.com en un correo electrónico. Davis está especializado en el espacio-tiempo supralumínico y en física antigravitatoria, usando en ambas las ecuaciones de campo de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein y la teoría cuántica de campos, así como la óptica cuántica, para llevar a cabo experimentos de laboratorio.

“La teoría especial de la relatividad de Einstein, publicada en 1905, adaptó el modelo del universo de espacio y tiempo unificados del matemático alemán Hermann Minkowski para demostrar que el tiempo debería tratarse como una dimensión física igual que las tres dimensiones físicas del espacio — altura, anchura y longitud — que experimentamos en nuestras vidas”, señala Davis.

“El espacio-tiempo es el paisaje donde todos los fenómenos tienen lugar”, añade Luca Amendola, miembro del Grupo de Trabajo Teórico de Euclides (un equipo de científicos teóricos que trabaja con el satélite Euclides de la Agencia Espacial Europea) y profesor en la Universidad de Heidelberg en Alemania. “Como cualquier otro paisaje, no está grabado en piedra, fijo para siempre, sino que cambia simplemente porque las cosas suceden — los planetas se mueven, las partículas interactúan, las células se reproducen”, dice a Space.com en un correo electrónico.

La historia del espacio-tiempo

La idea de que espacio y tiempo están unidos es un avance relativamente reciente en la historia de la ciencia.

“Los conceptos de espacio permanecieron prácticamente inalterados desde los filósofos griegos hasta los inicios del siglo XX — un marco inmutable sobre el cual se mueve la materia”, explica Amendola. “El tiempo se suponía aún más inmutable debido a que, aunque puedes moverte a través del espacio de la forma que quieras, no puedes viajar libremente por el tiempo, dado que corre del mismo modo para todo el mundo”.

A principios de la década de 1900, Minkowski se basó en trabajos anteriores del físico holandés Hendrik Lorentz y el matemático y físico teórico francés Henri Poincare para crear un modelo unificado de espacio-tiempo. Einstein, estudiante de Minkowski, adaptó el modelo de éste cuando publicó su teoría especial de la relatividad en 1905.

“Einstein había unido los trabajos teóricos de Poincare, Lorentz y Minkowski en su asombrosa teoría especial de la relatividad, que era mucho más exhaustiva y rigurosa en su tratamiento de las fuerzas electromagnéticas y movimiento, salvo que dejaba fuera la fuerza de la gravedad, lo cual abordó más tarde Einstein en su obra maestra de la teoría general de la relatividad”, explica Davis.

Avances en el espacio-tiempo

En la relatividad especial, la geometría del espacio-tiempo es fija, pero los observadores miden distancias, o intervalos de tiempo, diferentes de acuerdo a su propia velocidad relativa. En la relatividad general, la propia geometría del espacio-tiempo cambia dependiendo de cómo se mueve y distribuye la materia.

“La teoría general de la relatividad de Einstein es el primer gran avance teórico que apareció gracias a un modelo unificado de espacio-tiempo”, señala Davis.

La relatividad general llevó a la ciencia a la cosmología, el siguiente gran avance surgido gracias al concepto de espacio-tiempo unificado.

“Esto se debe a que, gracias a que tenemos un modelo de espacio-tiempo unificado, podemos tener una teoría para la creación y existencia de nuestro universo, y somos capaces de estudiar todas las consecuencias de su resultado”, apunta Davis.

Explica que la relatividad general predice fenómenos como los agujeros negros, y los agujeros blancos. También predice que tienen un horizonte de sucesos, la frontera que marca el lugar a partir del cual nada puede escapar, y la singularidad en su centro, un punto unidimensional donde la gravedad se hace infinita. La relatividad general puede también explicar que los cuerpos astronómicos en rotación arrastren con ellos el espacio-tiempo, el Big Bang y la expansión inflacionaria del universo, las ondas gravitatorias, la dilatación del espacio y el tiempo asociadas con un espacio-tiempo curvado, las lentes gravitatorias provocadas por las galaxias masivas, y el desplazamiento de la órbita de Mercurio y de otros cuerpos planetarios, todo lo cual la ciencia ha demostrado que es cierto. También predice cosas como la propulsión mediante motores warp, los agujeros de gusano atravesables y las máquinas del tiempo.

“Todos estos fenómenos dependen del modelo unificado de espacio-tiempo”, explica, “y la mayor parte se han observado”.

Una mejor comprensión del espacio-tiempo también llevó a la teoría cuántica de campos. Cuando la mecánica cuántica, una rama teórica que trabaja con el movimiento de átomos y fotones, se publicó por primera vez en 1925, estaba basada en la idea de que el espacio y el tiempo eran distintos e independientes. Tras la Segunda Guerra Mundial, los físicos teóricos encontraron una forma de incorporar la teoría especial de la relatividad de Einstein a la mecánica cuántica, dando lugar a la teoría cuántica de campos.

“Los avances que surgieron a partir de la teoría cuántica de campos son tremendos”, explica Davis.

La teoría cuántica de campos dio lugar a una teoría cuántica de la radiación electromagnética y de las partículas elementales cargadas eléctricamente, conocida como teoría electrodinámica cuántica (QED), alrededor de 1950. En la década de 1970, la QED se unificó junto a la teoría de la fuerza nuclear débil para producir la teoría electrodébil, que describe ambas como distintos aspectos de la misma fuerza. En 1973, los científicos derivaron la teoría de cromodinámica cuántica (QCD), la teoría de la fuerza nuclear fuerte de quarks y gluones, que son las partículas elementales.

En las décadas de 1980 y 1990, los físicos unieron la teoría QED, la QCD y la teoría electrodébil para formular el Modelo Estándar de la Física de Partículas, la megateoría que describe todas las partículas elementales conocidas de la naturaleza, y las fuerzas fundamentales de sus interacciones. Posteriormente, se añadió a la mezcla la predicción de la década de 1960 de Peter Higgs de una partícula ahora conocida como bosón de Higgs, descubierta en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Los avances experimentales incluyen el descubrimiento de muchas partículas elementales y sus fuerzas de interacción conocidas hoy, dice Davis. También incluyen el avance en la teoría de materia condensada para predecir dos nuevos estados de la materia más allá de esos que se enseñan en libros de texto. Se están descubriendo nuevos estados de la materia usando la teoría de materia condensada, que usan la teoría cuántica de campos como su maquinaria matemática.

“La materia condensada está relacionada con estados exóticos de la materia, tales como aquellos que encontramos en los vidrios metálicos, cristales fotónicos, metamateriales, nanomateriales, semiconductores, cristales, cristales líquidos, aislantes, conductores, superconductores, fluidos superconductores, etc.”, señala Davis. “Todo esto se basa en un modelo de espacio-tiempo unificado”.

El futuro del espacio-tiempo

Los científicos siguen mejorando su comprensión del espacio-tiempo usando misiones y experimentos que observan muchos de los fenómenos que interactúan con él. El Telescopio Espacial Hubble, que midió la expansión acelerada del universo, es uno de los instrumentos encargados de esta tarea. La misión Gravity Probe B de la NASA, lanzada en 2004, estudió las distorsiones del espacio tiempo generadas por un cuerpo en rotación — en este caso, la Tierra. La misión NuSTAR de la NASA, lanzada en 2012, estudia los agujeros negros. Muchos otros telescopios y misiones han ayudado también a estudiar estos fenómenos.

En tierra, los aceleradores de partículas han estudiado las partículas de movimiento rápido desde hace décadas.

“Una de las mejores confirmaciones que tenemos de la relatividad especial son las observaciones de las partículas, que deberían desintegrarse tras un tiempo dado, y que en realidad tardan mucho más debido a que viajan a una velocidad muy alta, como sucede, por ejemplo, en los aceleradores de partículas”, explica Amendola. “Esto se debe a que los intervalos de tiempo son mayores cuando la velocidad relativa es muy grande”.

Futuras misiones y experimentos seguirán estudiando el espacio-tiempo. El satélite Euclides de ESA/NASA, previsto para su lanzamiento el 2020, seguirá poniendo a prueba las ideas a escala astronómica mientras cartografía la geometría de la energía oscura y la materia oscura, las misteriosas sustancias que forman el grueso de materia y energía del universo. En tierra, los observatorios LIGO y VIRGO continúan estudiando las ondas gravitatorias, ondulaciones en la curvatura del espacio-tiempo.

“Si pudiésemos trabajar con los agujeros negros del mismo modo que lo hacemos con partículas en los aceleradores, aprenderíamos mucho sobre el espacio-tiempo”, comenta Amendola.

Comprender el espacio-tiempo

¿Llegarán los científicos a comprender el complejo tema del espacio-tiempo? Eso depende de, exactamente, qué quieras decir.

“Los físicos tienen una excelente comprensión del concepto de espacio-tiempo en los niveles clásicos proporcionados por las dos teorías de la relatividad de Einstein, siendo la teoría general de la relatividad la obra maestra del espacio-tiempo”, señala Davis. “Sin embargo, los físicos aún no comprenden la naturaleza cuántica del espacio-tiempo y la gravedad”.

Amendola está de acuerdo, apuntando que, aunque los científicos comprenden el espacio-tiempo en las grandes distancias, el mundo microscópico de partículas elementales sigue estando poco claro.

“Podría ser que el espacio-tiempo, a distancias muy cortas, tome otra forma y no sea continuo”, comenta Amendola. “Sin embargo, aún estamos lejos de dicha frontera”.

Los físicos actuales no pueden experimentar con agujeros negros, o lograr las altas energías a las que se espera que tengan lugar nuevos fenómenos. Incluso las observaciones astronómicas de los agujeros negros siguen siendo poco satisfactorias debido a la dificultad de estudiar algo que absorbe toda la luz, señala Amendola. En lugar de esto, los científicos deben usar métodos indirectos.

“Comprender la naturaleza cuántica del espacio-tiempo es el santo grial de la física del siglo XXI”, comenta Davis. “Estamos atrapados en un lodazal de múltiples nuevas teorías propuestas que no parecen resolver este problema”.

Amendola permanece optimista. “Nada nos retiene”, apunta. “Simplemente se necesita tiempo para comprender el espacio-tiempo”.

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