NeoFronteras

Proponen un montaje experimental sencillo para demostrar la existencia de ciertas estructuras en la espuma cuántica del espacio-tiempo.

Esquema del montaje. Fuente: Jacob Bekenstein.

Al libro “Gravitation” de Misner, Thorne y Wheeeler de 1970 se le llama “la biblia negra” en los círculos académicos de la Física Teórica. Ese mote denota las 1300 páginas rellenas de todo el conocimiento que había en la época sobre gravitación y su cubierta de color negro. Pese a los 40 años transcurridos, el libro no está obsoleto, principalmente porque no se han hecho grandes avances en este campo, sobre todo en gravedad cuántica. Además, la parte clásica de la gravedad correspondiente a la Relatividad General sigue siendo válida.
A día de hoy no contamos con una Teoría cuántica de la gravedad ni parece que lo consigamos pronto. En la parte décima y última de este libro, denominada “Frontiers”, se tratan los temas especulativos sobre los que se creía que se podía avanzar. Uno de esos temas es la posible textura del espacio-tiempo que el propio John Wheeler propuso en los años sesenta.
A la escala de Planck, o incluso un poco superior, el espacio-tiempo no sería suave, sino que estaría texturado, quizás formado por unidades de espacio-tiempo indivisibles. A esa escala habría algún tipo de granularidad y el propio espacio-tiempo fluctuaría desdibujando la frontera entre arriba y abajo, derecha e izquierda o pasado y futuro, formando una especie de espuma cuántica.
Desde entonces no se han observado o inferido esta textura del espacio-tiempo. Recientemente se han realizado observaciones que pretendían ver el efecto de esa textura sobre determinados fenómenos, intentos que hemos tratado de cubrir en NeoFronteras, pero hasta ahora tampoco se ha tenido éxito. También se han propuesto diversos tipos de experimentos para lograr esa meta.
El problema es que explorar la escala de los 1,6 × 10^-35 metros es algo muy difícil, pues ningún instrumento presente o futuro puede medir directamente esas distancias. Un acelerador de partículas necesitaría alcanzar los 10¹⁹GeV para poder explorar esa distancia.
La realidad es que no se sabe a qué escala los efectos cuánticos de la gravedad empezarían a notarse y hay un amplio margen para el tamaño de la granularidad del espacio, incluso para tamaños muy superiores a la escala de Planck.
Ahora Jacob Bekenstein, el reputado físico de la Universidad Hebrea de Jerusalem, propone un nuevo experimento de sobremesa para explorar la granularidad del espacio-tiempo.
Bekenstein propone usar un único fotón que atraviese un bloque transparente y medir la distancia minúscula que el bloque se mueve debido a la cantidad de movimiento (o momento) del fotón. La longitud de onda del fotón y la masa y tamaño del bloque son elegidos cuidadosamente de tal modo que el momento del fotón es capaz de mover el centro de masas del bloque en una longitud de Planck.
Si el espacio no tiene textura entonces cada fotón pasará por el bloque y será registrado al otro lado por un detector. Pero si el espacio tiene textura entonces habrá una probabilidad de que el fotón no llegue al otro lado.
Se cree que en la escala de lo muy pequeño puede haber fluctuaciones del propio espacio-tiempo y que aparecen mini agujeros negros con un tamaño del orden de la longitud de Planck que desaparecen en una fracción de segundo. Cualquier cosa que caiga en uno de estos agujeros negros no podrá escapar hasta que el agujero negro desaparezca. Los fotones, al tener una longitud de onda muchísimo mayor que estos agujeros negros no pueden ser atrapados por éstos. Pero si el centro de masas del bloque cae en uno de estos agujeros el movimiento del bloque no se producirá.
La conservación del momento requiere que el fotón en este caso no logre atravesar el bloque si este no logra moverse en una longitud de Planck. Así que si hay textura del espacio-tiempo y agujeros que se forman y desaparecen en la escala de Planck entonces es de esperar que se detecten menos fotones al otro lado del bloque.
Cambiando los parámetros del experimento los físicos podrían además medir la escala a la que se empiezan a notar los efectos de la espuma cuántica.
Lo bueno de este experimento es que evita los problemas habituales asociados a medidas de distancias pequeñas cuando se usan partículas cuánticas, pues éstas están sujetas al principio de incertidumbre posición-momento. Sólo se cuentan fotones a un lado y a otro del bloque.
El experimento es además simple y puede ser realizado fácilmente con la tecnología actual, pero algunos expertos señalan que será complicado distinguir entre distintos efectos cuánticos y el efecto propuesto.
Si el experimento falla podría apoyar teorías alternativas, como las que proponen que la gravedad es un fenómeno emergente producido por procesos termodinámicos. Teorías que no necesitan de ninguna espuma cuántica. Aunque siempre se puede decir que el espacio-tiempo está texturado, pero que no se forman mini agujeros negros. Todo depende del tipo de “textura” que consideremos.
Recordemos, una vez más, que la ciencia avanza gracias a que los experimentos u observaciones apoyan o refutan los modelos que se proponen, sean éstos nuestros o no, muy razonables o no, bellos o que no lo sean.

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Fuentes y referencias:
Noticia en Nature.
Artículo original.
De nuevo sin pruebas de la textura espacial.
Intentando explorar la escala de Planck.