¿Podría el espacio-tiempo ser una ilusión?

El espacio-tiempo – la tela imaginaria cuya geometría puede cambiar por la gravedad de estrellas, planetas y materia- puede no ser más que un espejismo, según Peter Hořava. Hořava, de la Universidad de California, Berkeley, quiere extraer este tejido y además establecer el tiempo y el espacio separados, con el fin de encontrar una teoría unificada que reconcilie los mundos dispares de la mecánica cuántica y la gravedad. El objeto de estudio del Premio Nobel del año pasado de Física, el grafeno, puede tener la solución.

La comunidad mundial de físicos ha empezado a utilizar la herejía de Hořava para explicar misterios cosmológicos como la materia oscura y energía oscura. Otros han descubierto que los agujeros negros no se comportan como lo que pensábamos. Si la idea de Hořava es correcta, podría cambiar para siempre nuestra concepción del espacio y del tiempo y nos llevaría a una “teoría del todo”, aplicable a toda la materia y las fuerzas que actúan sobre ella.

Durante décadas los físicos han logrado tener éxito en sus esfuerzos por conciliar la teoría general de Einstein de la relatividad, que describe la gravedad, con la mecánica cuántica, que describe el mundo subatómico de las partículas y fuerzas en escalas más pequeñas.

El espacio y el tiempo de acuerdo a la teoría cuántica es un telón de fondo donde se mueven las partículas. En las teorías de Einstein, por el contrario, el espacio y el tiempo están intrinsicamente vinculados, pero el espacio resultante del tiempo está determinado por la materia en su interior.

Gran parte de la motivación detrás de la búsqueda de unificar la relatividad y la teoría cuántica es producir una teoría sobre la gravedad cuántica que refleje lo sucedido inmediatamente después del Big Bang o lo que está pasando cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro, donde los campos gravitacionales son masivos.

Hořava encontró su solución en la física de la de la materia condensada, específicamente en un átomo de carbono, llamado grafeno, cuyos electrones “orbitan” chocando alrededor de la superficie como bolas en una máquina de pinball y se puede describir utilizando la mecánica cuántica. Debido a que el los átomos se mueven a sólo una fracción de la velocidad de la luz no hay necesidad de tener en cuenta la relatividad.

Sin embargo, si enfriamos el grafeno a cero casi absoluto, algo extraordinario sucede: los electrones se aceleran dramáticamente. Por lo tanto,  las teorías relativistas son necesarias para describir correctamente lo sucedido. Fue este cambio lo que desató la imaginación de Hořava. Lo que impresionó a Hořava sobre el grafeno fue que la simetría de Lorentz no es siempre evidente en él. ¿Podría lo mismo ser cierto en nuestro Universo?, se preguntó. Lo que vemos alrededor de nosotros hoy es un cosmos fresco, donde aparecen vinculados espacio y tiempo por la simetría de Lorentz – un hecho que los experimentos han establecido con una precisión asombrosa. Pero las cosas eran muy diferentes en los primeros momentos. ¿Qué pasa si la simetría que es evidente hoy en día no es fundamental para la naturaleza, sino que es algo que surgió cuandp el universo se enfrió a partir de la bola de fuego del Big Bang, como sucede  en el grafeno, cuando se enfría?

Hořava ajustó, entonces,  las ecuaciones de Einstein de un modo que eliminaba la simetría de Lorentz: una propiedad que mantiene la velocidad de la luz constante para todos los observadores, sin importar lo rápido que se muevan. Esto llevó a Hořava a un conjunto de ecuaciones que describen la gravedad cuántica en el marco mismo que las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad aparece como la fuerza de atracción debido a las partículas cuánticas llamadas gravitones, en gran parte de la misma manera que la fuerza electromagnética es transportada por fotones . También modifica la relatividad general para incluir una dirección preferida para el tiempo, del pasado hacia el futuro – la forma en que el Universo que observamos parece evolucionar.

“De repente, tenemos nuevos ingredientes para modificar el comportamiento de la gravedad a distancias muy cortas”, dijo Hořava en una entrevista con la revista New Scientist.

Al romper en pedazos la simetría entre el espacio y el tiempo, la teoría de Hořava altera la física de los agujeros negros -especialmente los microscópicos, que se pueden formar en energías muy altas. Lo que esto significa para la formación de los agujeros negros, y si son lo que parecen ser en la relatividad general “es una pregunta muy grande.”

La gravedad de Hořava también podría ayudar a resolver uno de los grandes misterios sin resolver de la cosmología moderna: el enigma de la materia oscura. Si las ecuaciones de movimiento derivado de la relatividad general están fuera de este asunto, podría explicar las velocidades observadas de las estrellas y galaxias, sin que la materia oscura jugara un papel importante.

“Es posible que una fracción de la foto de la materia oscura del universo podría estar llegando a las correcciones de las ecuaciones de Einstein”, dice Hořava.

Lo mismo ocurre con la energía oscura: las teorías de la física de partículas predicen la fuerza de la energía oscura en alrededor de 120 órdenes de magnitud mayor que lo que se observa, y la relatividad general no puede explicar esta discrepancia enorme. Pero la teoría de Hořava contiene un parámetro que puede ser ajustado para que la energía del vacío predicha por la física de partículas se reduzca al valor positivo pequeño que está en consonancia con los movimientos observados de estrellas y galaxias.

La respuesta final de vendrá con mejores observaciones de un agujero negro supermasivo – que contienen regiones de intensa gravedad – que podría revelar las correcciones necesarias a la relatividad general y probar la teoría de Hořava de gravedad cuántica, de la misma manera que las mediciones no explicadas de la órbita de Mercurio demostraron que las leyes de Newton eran incompletas, abriendo la puerta para Einstein.

Autor: Casey Kazan

Enlace original: “Space-time” could it be a mirage?