Buscando 'espuma cuántica' burbujeante en el Universo

Buscando ‘espuma cuántica’ burbujeante en el Universo

Espuma no cuántica en una playa terrestre.

Espuma no cuántica en una playa terrestre.

Dos de nuestras teorías más exitosas, la mecánica cuántica y la relatividad general, se contradicen en varias áreas. Hacen predicciones contradictorias, y durante algún tiempo la búsqueda ha sido encontrar una teoría más profunda, una teoría que resuelva los conflictos y ofrezca una mejor visión de la realidad. Tal teoría describiría cómo funciona la gravedad a nivel cuántico y, como tal, se conocería como una teoría de la gravedad cuántica.

Se han propuesto teorías de gravedad cuántica, incluida la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles. Pero todos estos sufren de un problema común: actualmente son casi imposibles de probar. Los efectos de la gravedad cuántica solo deberían aparecer en la escala de Planck, que es tan pequeña que todas nuestras teorías actuales colapsan allí. Peor aún, esta escala es demasiado pequeña para que los investigadores aborden el sondeo directamente con la tecnología actual.

El Gran Colisionador de Hadrones actualizado, que vuelve a estar operativo este año, alcanzará energías de 13 teraelectronvoltios (TeV), casi duplicando su rendimiento antes de la actualización. Pero si esperaba que pudiera probar experimentalmente los efectos de la gravedad cuántica, no contenga la respiración: la energía esperada necesaria es diez mil billones (o 10 ^ 16) TeV.

Pero eso no significa que no haya forma de aprender más sobre el mundo de la escala de Planck. Un nuevo estudio probó las predicciones hechas por un modelo de gravedad cuántica y, en lugar de un colisionador de partículas, el estudio utilizó la astronomía. El modelo predice que, en la escala de Planck, el espacio-tiempo se vuelve un poco «borroso» o «granulado» y que esta granulosidad tiene un efecto medible sobre cómo viaja la luz.

El espacio-tiempo «brillante» de Wheeler

John Wheeler, en 1955, desarrolló el concepto de «espuma de espacio-tiempo». La idea es básicamente que cerca de la escala de Planck hay pequeñas variaciones en el espacio-tiempo, una especie de turbulencia debida a efectos cuánticos.

Entre otras cosas, un fotón (partícula de luz) que atravesara estas distorsiones se movería más rápido o más lento que la conocida velocidad de la luz, contra. Estas variaciones serían tan pequeñas que apenas serían perceptibles a mayor escala. Además, serían esencialmente aleatorios. A medida que un fotón se propaga, encontrará distorsiones que aumentan y otras que disminuyen su velocidad, por lo que tienden a promediar algo muy cercano a contra a largas distancias, muy cerca, pero no exactamente. Esto se llama «dispersión al vacío». Específicamente, el tipo «estocástico» de dispersión de vacío. (La palabra «estocástico» se refiere a la distribución aleatoria de variaciones en el espacio-tiempo).

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En la dispersión de vacío estocástica, dos fotones de la misma fuente cubrirían la misma distancia en tiempos (muy ligeramente) diferentes.

Este modelo entra en conflicto con la relatividad especial, que predice un espacio-tiempo suave sin tales variaciones y una velocidad de la luz que es siempre constante en cualquier escala.

Aunque la relatividad es una teoría exitosa y firmemente establecida, es posible que no sea válida en todas las escalas, al igual que las leyes de Newton han dado paso a la relatividad especial cuando se aplican a objetos a velocidades cercanas a contra. Por lo tanto, no es inconcebible que se produzcan efectos que violen la relatividad en la escala de Planck; el siguiente paso es probar y averiguar si este es el caso.

estallidos de rayos gamma

El estallido de rayos gamma GRB090510 brindó la oportunidad de hacerlo. Los estallidos de rayos gamma son explosiones extremadamente energéticas que producen destellos brillantes y repentinos de rayos gamma, de ahí su nombre. Pueden estar muy separados, dando a los fotones gamma un largo camino sobre el cual acumular las variaciones de velocidad de cualquier efecto de escala de Planck que puedan encontrar, lo que hace que la diferencia en los tiempos de viaje de los fotones, si es así, sea más fácil de detectar.

Además, los estallidos de rayos gamma pueden tener una vida muy corta, lo que facilita la detección de una diferencia en los tiempos de viaje de los fotones. GRB090510, en particular, duró alrededor de un segundo. También fue uno de los estallidos de rayos gamma más brillantes jamás detectados.

Usando observaciones del Telescopio de Área Grande Fermi (LAT), los investigadores buscaron evidencia de que los fotones exhibieron diferentes tiempos de viaje.

Para hacer esto, observaron un intervalo de tiempo particularmente brillante y estable, desde alrededor de 0,7 segundos hasta 1 segundo después del estallido de rayos gamma, durante el cual se detectó una cantidad específica de fotones. Los investigadores estimaron que, sin los efectos estocásticos de la escala de Planck, la curva de luz, el gráfico del brillo de la luz a lo largo del tiempo, debería ser aproximadamente el mismo en todo el rango de diferentes fotones d energía detectados por Fermi LAT.

Sin embargo, si se detectaran más fotones en la parte más energética del espectro que en la parte inferior, esto indicaría que la velocidad de la luz estaba variando, que se estaban produciendo efectos medibles a escala de Planck. Esto se debe a que el efecto de dispersión debería volverse más fuerte a energías más altas. Afortunadamente, el espectro de energía de GRB090510 es bastante alto, hasta alrededor de 30 GeV, lo que facilita la observación del efecto.

Los investigadores eligieron una energía particular en el espectro y clasificaron los fotones del intervalo de tiempo de luz en regiones por encima o por debajo de la energía que eligieron. Los fotones con energías por debajo de esta línea estarían allí independientemente de los efectos de la escala de Planck, pero los fotones con energías por encima de la energía elegida fortalecerían el caso de que estos efectos de hecho variaron el tiempo de viaje de la luz. Básicamente compararon la parte de mayor energía con la parte de menor energía, para ver si había un efecto estadísticamente significativo.

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Resultado: nada. No había suficientes fotones en la parte superior del espectro para sustentar la hipótesis de que existen variaciones estocásticas significativas que afectan el tiempo de viaje de la luz.

Si tales variaciones existen, ocurren por debajo de la escala de Planck. Esta es la primera vez que un estudio logra limitar los posibles efectos estocásticos por debajo de la escala de Planck.

«Cuando comenzamos nuestro análisis, no esperábamos obtener una medida tan precisa», dijo el profesor Tsvi Piran, presidente de la Universidad Schwartzmann en el Instituto de Física Racah de la Universidad Hebrea y uno de los autores del artículo. «Este nuevo límite está en el nivel esperado de las teorías de la gravedad cuántica y puede decirnos cómo combinar la teoría cuántica y la relatividad».

conclusión

El impresionante resultado debe tenerse en cuenta para futuros modelos de gravedad cuántica. Y otras observaciones de otros estallidos de rayos gamma, tanto por el LAT de Fermi como por el conjunto de telescopios Cherenkov de mayor energía y sensibilidad, podrán utilizar la misma técnica para limitar aún más los efectos de escala a escala.

Pero algunos dirían que el resultado actual ya ha demostrado de manera convincente que probablemente no existan tales efectos y que, en cambio, los investigadores deberían poner sus energías en otra parte en la búsqueda en curso de una teoría de la gravedad cuántica.

“Dado que ya hay tantas pruebas, se ha vuelto cada vez más difícil seguir creyendo en los efectos de la escala de Planck que violan la relatividad especial”, dijo Sabine Hossenfelder, física teórica que estudia varios modelos de gravedad cuántica, en su blog.

Las pruebas a las que se refiere se aplican principalmente al tipo «sistemático» de dispersión por vacío (otro tipo de dispersión por vacío que también crearía ligeras variaciones en la velocidad de la luz), no al tipo estocástico, que es el que se prueba aquí. Sin embargo, el escepticismo de Hossenfelder sobre los efectos de escala de Planck se extiende al caso estocástico. Escribió un artículo que aparentemente muestra que el caso sistemático es teóricamente inconsistente, y dice que este argumento podría extenderse para mostrar lo mismo para el caso estocástico.

Sobre el nuevo resultado, dice: «Es un artículo limpio, bien hecho, y espero que eso termine con el asunto».

Y, de hecho, cuanto más puedan los científicos restringir un efecto sin detectarlo, menos probable es que el efecto esté ahí. Por supuesto, siempre es posible que el efecto esté ahí, justo debajo de la última restricción, y la posibilidad es tentadora.

Varias fuentes proclaman a menudo, después de descubrimientos como este, que «Einstein tenía razón». Esto es cierto independientemente de los resultados de esta nueva prueba. La relatividad especial y general demostraron su valía: la única pregunta era hasta dónde se extendía su reinado sobre el mundo físico. Con este resultado, encontramos que se extiende un poco más.

Nature Physics, 2015. DOI: =»http://dx.doi.org/10.1038/NPHYS3270″>DOI: 10.1038/NPHYS3270 (Acerca de los DOI)

Nota del editor: la versión original de esta historia no estaba clara en dos de los aspectos de la dispersión por vacío. Lo hemos revisado de una manera que esperamos aclare las cosas.

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