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El error de Einstein: ¿Por qué algunos astrofísicos cuestionan la teoría del espacio-tiempo?

اشتباه اینشتین: چرا برخی اخترفیزیکدانان نظریه فضا-زمان را زیر سوال می‌برند؟

Para comprender mejor el universo, probablemente debamos analizar una de las teorías más importantes de la historia: al igual que la historia, las revoluciones son el elemento vital de la ciencia. Las corrientes de malestar y oposición continúan hirviendo hasta que un nuevo régimen toma el poder. Después de eso, todos regresan al gobernante derrocado. ¡Rey muerto, viva el nuevo rey!

Esto ha sucedido muchas veces en la historia de la física y la astronomía. Al principio pensamos que la tierra estaba en el centro del sistema solar, una idea que se ha mantenido durante más de mil años. Copérnico llegó a decir que este sistema sería mucho más fácil si orbitáramos el sol como el resto de los planetas. A pesar de las objeciones iniciales, la imagen central original finalmente se dobló bajo el peso de la evidencia del telescopio recién inventado.

Newton llegó entonces a explicar que la gravedad es la razón por la que los planetas orbitan alrededor del sol. Dijo que todos los objetos con masa se atraen entre sí con una fuerza gravitacional. Según sus ideas, giramos alrededor del sol, porque el sol nos empuja hacia él, la luna gira a nuestro alrededor, porque la tierra la empuja hacia sí misma.

Newton gobernó durante dos siglos y medio, hasta que Albert Einstein entró en guerra con Newton en 1915 con su teoría general de la gravedad. Esta nueva imagen ilustra bien las inconsistencias de la órbita de Mercurio y fue confirmada durante la famosa observación de 1919 de un eclipse frente a la costa de África.

Einstein vio la gravedad no como un estiramiento, sino como el resultado de un espacio curvo. Según él, todos los objetos del universo tienen una textura uniforme de cuatro dimensiones llamada espacio-tiempo. Los objetos de gran masa, como el sol, entrelazan el espacio-tiempo a su alrededor, y la rotación de la Tierra se debe únicamente al hecho de que el planeta sigue la curvatura del espacio-tiempo.

Esta imagen del espacio-tiempo ha estado en el trono durante más de cien años y hasta ahora ha derrotado a todos los aspirantes al trono. El descubrimiento de las ondas gravitacionales en 2015 fue una victoria definitiva, pero como todo el pasado, es probable que esta teoría caiga. Porque es fundamentalmente incompatible con el otro monstruo del zoológico de la física: la teoría cuántica.

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El mundo cuántico es conocido por ser extraño. Por ejemplo, las partículas pueden estar en dos lugares al mismo tiempo. Sólo mediante la observación podemos “obligarlos” a elegir uno de esos lugares. Antes de observar, solo podemos asignar sus probabilidades correspondientes a los posibles resultados. En la década de 1930, Erwin Schr ین dinger inventó un método popular para mostrar cuán confusa puede ser esta idea. Imaginó un gato en una caja sellada con un frasco de veneno unido a un martillo.

El martillo está conectado a un instrumento que mide la posición cuántica de una partícula. Si ese martillo rompe o no el vidrio de veneno y mata al gato depende de la medición, pero la física cuántica dice que hasta que se realice esta medición, la partícula está en dos posiciones al mismo tiempo, lo que significa que el vidrio está roto y sin romper. Y el gato está vivo y muerto.

Una imagen así no puede ser coherente con la textura continua y uniforme del espacio-tiempo. “Un campo gravitacional no puede estar en dos lugares al mismo tiempo”, dijo Sabine Hossenfelder, física teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt. Según Einstein, el espacio-tiempo es complejo con materia y energía, pero la física cuántica dice que la materia y la energía están en varias posiciones al mismo tiempo; pueden estar aquí y allá. “Entonces la pregunta es, ¿dónde está el campo gravitacional?”, Dice la Sra. Hussenfelder. Nadie tiene la respuesta a esta pregunta. “Es un poco vergonzoso”.

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No importa cuánto intente aplicar las teorías de la relatividad general y cuántica, no tendrá éxito. “Por encima de una cierta cantidad de energía, las probabilidades que obtienes son mayores que uno”, dice Hussenfelder. La probabilidad más alta es posible, lo que significa que el resultado definitivamente sucederá.

No puede estar más seguro que “definitivamente”. Del mismo modo, a veces los cálculos te dan infinitas respuestas, que no tienen un significado físico real. Como resultado, las dos teorías son matemáticamente incompatibles. Entonces, como muchos reyes de la historia, los físicos buscan reconciliar estas dos facciones rivales por la paz.

Están buscando una teoría de la gravedad cuántica, el último esfuerzo diplomático para dividir el trono entre los dos rivales. Esto ha llevado a los teóricos a plantear posibilidades muy locas.

Probablemente la más famosa de estas teorías es la teoría de cuerdas. La idea es que las partículas subatómicas, como los electrones y los quarks, están formadas por diminutos filamentos vibrantes. Así como puedes hacer vibrar las cuerdas de un instrumento para producir diferentes notas, los teóricos de cuerdas dicen que diferentes combinaciones de cuerdas producen diferentes partículas.

La fascinación de esta teoría es que puede reconciliar la relatividad general con la física cuántica, al menos en papel. Sin embargo, para que ocurra tal magia, las cuerdas deben oscilar en once dimensiones, siete dimensiones más grandes que la textura del espacio-tiempo de Einstein. Sin embargo, no hay evidencia empírica de estas dimensiones adicionales.

Según Jorma Louko de la Universidad de Nottingham, “Esto puede ser matemáticamente interesante, pero si realmente explica o no el espacio-tiempo en el que vivimos es algo que no es experimental”. “No podemos saberlo”.

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Otros físicos, inspirados en parte por los avances esperados en la teoría de cuerdas, han optado por otra opción llamada Loop Quantom Gravity (LQG). Si pueden deshacerse de uno de los principios vitales de la relatividad general, pueden reconciliarlo en teoría: el principio de que el espacio-tiempo es un tejido uniforme y continuo.

En cambio, argumentan que el espacio-tiempo está formado por un conjunto de anillos entrelazados, cuya estructura se forma en la escala más pequeña posible. Se parece un poco a una tela. A primera vista, la tela puede parecer una textura uniforme. Sin embargo, con un poco de cuidado se puede ver que se trata de una red de hilos. También puede considerar una foto en la pantalla de una computadora: si hace zoom, verá que en realidad está hecha de píxeles individuales.

El problema es que cuando los físicos de LQG hablan de escalas pequeñas, quieren decir realmente pequeñas. Estos defectos del espacio-tiempo solo son visibles en la escala de Planck, alrededor de una billonésima de billonésima de metro. Esto es tan pequeño que el número de anillos dentro de un centímetro cúbico de espacio es mayor que el número de todos los centímetros cúbicos visibles en el universo.

“Si el espacio-tiempo difiere sólo en la escala de Planck, no será fácil probar en ninguno de los aceleradores de partículas”, dijo Loko. Esto requiere colisiones 1.000 billones de veces más grandes que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Entonces, ¿cómo detecta un defecto de espacio-tiempo tan pequeño? La respuesta es que hay que mirar un espacio muy grande.

La luz que nos llega desde los rincones más lejanos del universo es de miles de millones de años luz a través del espacio-tiempo. Aunque el efecto de cada defecto de espacio-tiempo es insignificante, en una distancia de esta magnitud, los efectos de la interacción con varios defectos pueden acumularse lo suficiente como para ser observados.

Durante la última década, los astrónomos han estado usando la luz de estallidos de rayos gamma en la distancia para encontrar evidencia que confirme LQG. Estos destellos cósmicos son el resultado del colapso de estrellas gigantes al final de sus vidas, y hay algo acerca de estas explosiones distantes que no podemos explicar en este momento. Según Hussenfelder, “su espectro tiene una distorsión regular”, pero nadie sabe si esta distorsión se debe a algo que sucede a lo largo del camino de estas luces, o al origen de la explosión en sí. Aún no se puede llegar a un juicio unánime.

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Para avanzar en la comprensión del universo, probablemente no sería suficiente decir que el espacio-tiempo no es, como dijo Einstein, una textura coherente y uniforme. Según Einstein, el espacio-tiempo es como una clase, e independientemente de si los actores influyen en él o no, permanecerá en su lugar; incluso si no hay estrellas o planetas en movimiento, el espacio-tiempo existe.

Sin embargo, los físicos Laurent Freidel, Robert Leigh y Djordje Minic creen que esta imagen obstaculiza nuestro progreso. Creen que el espacio-tiempo no existe independientemente de los objetos que contiene. El espacio-tiempo depende de cómo interactúan los objetos. Hace del espacio-tiempo un producto del mundo cuántico, no algo combinado con él. “Puede parecer extraño”, dice Minick, “pero ese es el enfoque correcto”.

La fascinación de esta teoría, llamada espacio-tiempo modular, es que puede usarse para resolver uno de los problemas más antiguos de la física teórica en relación con la localidad, y un fenómeno notorio en la física cuántica llamado entrelazamiento.

Los físicos pueden crear condiciones en las que dos partículas se unen y sus propiedades cuánticas se unen. Entonces pueden ponerlos a una gran distancia el uno del otro y aún así mantener este vínculo. Al cambiar las propiedades de una de ellas, las otras propiedades también cambian inmediatamente, como si la información se transfiriera más rápido que la velocidad de la luz entre dos partículas al violar directamente el principio de relatividad. Einstein estaba muy molesto por este fenómeno y lo llamó “acción fantasmal a distancia”.

La teoría modular del espacio-tiempo puede superar esto redefiniendo el significado de separación. Si el espacio-tiempo surge del corazón del mundo cuántico, entonces la cercanía en el sentido cuántico es más fundamental que la cercanía en el sentido físico. “Las diferentes observaciones tendrán diferentes percepciones de la localidad, y eso depende del contexto de las observaciones”, dice Minick.

Esto es algo similar a nuestra relación con otras personas. Podemos sentir a los que amamos y distanciarnos más cerca de un extraño en nuestro vecindario. “Siempre que estas conexiones espaciales sean lo suficientemente pequeñas, puede tenerlas”, dice Hussenfelder.

Friedel, Lee y Minick han estado trabajando en su idea durante los últimos cinco años y creen que están progresando. “Queremos ser conservadores y hacer avanzar las cosas paso a paso, pero esa emoción impulsa el trabajo”, dice Minick. Su enfoque es definitivamente nuevo, “gravitando” el mundo cuántico; A diferencia de LQG, que cuantifica la gravedad. Sin embargo, al igual que cualquier otra teoría científica, debe ser probada. El trío está trabajando actualmente para incluir el tiempo en su modelo.

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Todo esto puede parecer un secreto, algo que solo les importa a los profesores universitarios, pero el impacto que puede tener en nuestra vida diaria puede ser profundo.

“Nos sentamos en el espacio, viajamos a través del tiempo, y si algo cambia nuestra comprensión del espacio-tiempo, no solo nuestra comprensión de la gravedad, sino toda la teoría cuántica”, dice Hussenfelder. Todos nuestros dispositivos actuales funcionan gracias a la teoría cuántica. “Si comprendemos mejor la estructura cuántica del espacio-tiempo, el impacto en las tecnologías futuras será enorme, tal vez no en los próximos 50 o 100 años, pero tal vez en 200 años”.

El alma del rey actual está contada y otro aspirante al trono ha fallecido hace mucho tiempo, pero no podemos saber cuál de las alternativas tiene más probabilidades de ganar. Cuando entendamos esto, la revolución que se producirá será fructífera no solo para la física teórica, sino para todos.

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