NeoFronteras

Avances en gravedad cuántica

Área: Física — lunes, 15 de julio de 2013

Según un modelo de la Teoría Cuántica de Lazos el espacio-tiempo que experimenta cada partícula puede ser diferente.

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Como ya conocen nuestros lectores, todavía no hay una teoría cuántica de la gravedad, sólo candidatas a tal cosa. El problema es que los aspectos cuánticos de gravedad sólo se dan cuando se tiene un intenso campo gravitatorio en una pequeña región de espacio, algo que prácticamente sólo ocurre en los agujeros negros y en el Big Bang. Esto sitúa a casi cualquier teoría de este tipo fuera de su comprobación experimental directa.
Por esta razón es de esperar que toda candidata a teoría cuántica de gravedad al menos prediga lo que se observa en el régimen clásico. Es decir, que proporcione un espacio-tiempo relativista clásico o un modelo cosmológico de los ya conocidos que sean producto de la Relatividad General.
Aunque lentamente, la Teoría Cuántica de Lazos intenta todo esto desde hace ya unos cuantos años. Este marco teórico asume que el espacio-tiempo es similar a una tela consistente en con un gran número de fibras que forman lazos o bucles. Un pequeño trocito de espacio tendría 1066 de estas fibras. No hace falta decir que la comprobación directa de la existencia de estas fibras está fuera del alcance de nuestra tecnología presente y posiblemente futura.
En el departamento de Física de la Universidad de Varsovia han conseguido desarrollar algunos aspectos de esta teoría. Entre sus últimos resultados se encuentra que pueden obtener un espacio-tiempo clásico a partir de la interacción entre la materia y la gravedad cuántica.
Se suele decir que no hubo un espacio-tiempo normal antes del Big Bang, pues este se generó en ese proceso. Esta teoría asume que lo que había era un estado dominado por la gravedad cuántica que fue el que generó el espacio-tiempo normal durante el Big Bang. Ese estado era tan increíblemente denso y caliente que las partículas estaban sometidas a la gravedad cuántica.
Recientemente el grupo de Jerzy Lewandowski ha presentado algunos avances en este aspecto en el congreso GR20.
Toda teoría física tiene un gran aparato matemático soportándola detrás, por eso, cuando se trata de divulgarla, se suelen recurrir a las metáforas. En este caso recurren a una analogía en la que una red de cristal de hielo, que hace el papel de espacio clásico, surge a partir de la gravedad cuántica, que cumple el papel de agua líquida que se congela. Recordemos que para que el agua se congele se necesitan ciertas impurezas, pues de otro modo se puede tener agua líquida sobreenfriada. Pues bien, en este marco teórico, serían las partículas de materia las que haría formarse al espacio clásico. Lo interesante es que distintos tipos de partículas elementales generan o experimentan distintos tipos de espacio-tiempos clásicos.
Hace tres años este grupo consiguió desarrollar un modelo en el marco de la Teoría Cuántica de Lazos que combinaba bien Mecánica Cuántica y Relatividad General (RG). En ese modelo se asumía la presencia de dos campos de interacción. Uno era el campo gravitatorio, que puede ser identificado por un espacio (ya que la RG propone que la gravedad no es más que la curvatura del espacio). El segundo campo era un campo escalar que tenía un valor para cada punto del espacio y que se interpreta como el tipo de materia más simple.
Esta imagen cuántica es muy diferente del espacio que todos experimentamos cotidianamente, ¿cómo surge ese espacio clásico a partir de ese estado? Lewandowski se pregunta que si el espacio-tiempo surge a partir de ese estado de la interacción entre materia y gravedad cuántica, ¿podemos estar seguros de que cada tipo de materia interacciona con un espacio-tiempo que tiene las mismas propiedades?
Para contestar estas cuestiones estudiaron en el modelo patrones de interacción entre la gravedad cuántica y dos casos matemáticamente simples: partículas de masa en reposo nula y partículas escalares con masa no nula. Como ejemplo del primer tipo de partículas tendríamos a los fotones del Modelo Estándar y en para el segundo al bosón de Higgs.
Para saber qué pasaba en cada caso comprobaron las distintas simetrías del espacio-tiempo que se generaba. En el primer caso se obtenía el espacio clásico isótropo al que estamos acostumbrados. Es decir, tenía las mismas propiedades en todas las direcciones. Esto se daba independientemente que los fotones tuvieran un gran momento o energía o todo lo contrario.
Pero para la segunda partícula la situación era diferente. La existencia de una masa impone condiciones adicionales a la teoría y no se puede construir un espacio clásico isótropo. Sólo se puede generar un espacio-tiempo anisótropo en el que hay direcciones preferentes, y no otras, en las que estas partículas se pueden mover.
Las partículas con masa no sólo no experimentan el espacio-tiempo de manera diferente a los fotones, sino que cada una ve su propia versión privada de espacio-tiempo dependiendo de la dirección en la que se mueva. Esto fue una sorpresa para los investigadores.
Sin embargo, esto no significa que el Universo tenga direcciones privilegiadas, pues como observadores vemos las partículas somos sistemas clásicos y no cuánticos, de tal modo que nos encontramos “fuera” del mundo de las partículas. No es por tanto visible cómo experimenta cada partícula el espacio-tiempo. Independientemente de la dirección en la que se mueven, las partículas registradas en el laboratorio tienen todas las mismas características, por lo que comprobar esta predicción es una tarea muy complicada para los experimentalistas.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo sobre el tema.
GR20.
Foto: FUW.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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8 Comentarios

  1. r:

    “Por lo que comprobar esta predicción es una tarea muy complicada para los experimentalistas”.

    Como que se ha vuelto muy común esta expresión sobre la mayoría de los avances de la Física y pues que gran problema por que así como están las cosas a esta ciencia le espera un futuro bastante incierto.

    Gracias por la información.

  2. pablo:

    Me recuerda como analogía que los fotones de onda corta interactúan diferente de los de onda larga (producen ionización por ejemplo) aunque su naturaleza sea exactamente la misma, o sea, sus diferentes propiedades dependen de lo que “vean” no de lo que son.
    Una pregunta: una partícula sumergida en un campo gravitatorio, no se encuentra en un espacio-tiempo anisótropo ? o sea con direcciones preferentes de movimiento ?
    Muy bien por la LQG.

  3. Dr. Thriller:

    Puesss… Pablo, no sé si entiendo correctamente tu observación. Lo que define las propiedades de un fotón no son exactamente cómo interaccione con, digamos, los campos electromagnéticos asociados a los electrones de enlace moleculares, porque además un fotón γ podría dar fenómenos análogos en materia extraña como la de una estrella de neutrones. La verdad que la característica más importante en función de su longitud es la energía que porta, así que su naturaleza no es exactamente igual en ese aspecto. No acabo de ver qué importancia tiene cómo interacciona o deje de interaccionar con la materia ordinaria, a los efectos del artículo.

  4. pablo:

    La energía de un fotón queda determinada solamente por su longitud de onda, por lo demás son todos iguales, diferente energía pero misma naturaleza. La analogía viene de la parte mas importante del articulo que dice “Las partículas con masa no sólo experimentan el espacio-tiempo de manera diferente a los fotones, sino que cada una ve su propia versión privada de espacio-tiempo…”

  5. thetimethespaceandandtheman:

    “Me recuerda como analogía que los fotones de onda corta interactúan diferente de los de onda larga (producen ionización por ejemplo) aunque su naturaleza sea exactamente la misma, o sea, sus diferentes propiedades dependen de lo que ‘vean’ no de lo que son.
    Una pregunta: una partícula sumergida en un campo gravitatorio, no se encuentra en un espacio-tiempo anisótropo ? o sea con direcciones preferentes de movimiento ?
    Muy bien por la LQG.”

    Pablo, un foton, es un trozo mínimo de energía electromagnética, y lleva una cantidad de energía, y esa cantidad de energía mínima, depende de su frecuencia, a través de la vieja ley de Planck:
    E = h·v.

    Siendo:
    .-> E = Energía del foton (Julios).
    .-> h = constante de planck (Sin dividir por 2·pi, esa es la
    llamada h con raya) = 6,626 * 10^-34 (Julios·segundo)
    .-> v = frecuencia del foton (Hertzios = ciclos/segundo).

    Lo que tu llamas ‘onda corta’ u ‘onda larga’, es la longitud de onda de ese foton, es decir, los metros que hay entre un ciclo y el siguiente de él.

    Es su ‘longitud de onda’ = (velocidad de propagacion/frecuencia) = (c/v) (Del orden de décimas de micras en el caso de fotones).

    ¿Porque ionizan ‘los de onda corta’?, porque tienen mas energía que los de ‘onda larga’ (Menor frecuencia mayor long. de onda).

    ¿Y porque al tener mas energía ionizan?, por que llevan mas energía que la que hace falta para arrancar un electrón último de un átomo, eso es ‘ionizar’ (El átomo que queda sin su ultimo electrón, queda con carga positiva neta, es un ‘ion’ positivo).

    No Pablo, Dices: “sus diferentes propiedades dependen de lo que “vean” no de lo que son.”.

    No Pablo, dependen de la energía que llevan, no de ‘lo que vean’.

    Saludos.

  6. pablo:

    donde puse “sus diferentes propiedades dependen de lo que “vean” no de lo que son” reemplazar por “sus diferentes interacciones dependen de lo que “vean” no de lo que son” y listo. hay que ser mas constructivos con el articulo…si la idea se entiende.

  7. tomás:

    Pues sí. Como dice el artículo y “r” subraya: “Por lo que comprobar esa predicción…”. ¿Estaremos ante el fin del método científico en esta faceta de la física? ¿Ya no podré hacer experimentos en mi cocina? Porque no logré nada últimamente con el bosón de Higgs. ¡Qué desesperanza!
    Respecto al tiempo: ¿podemos seguir creyendo en él -sí, parece cuestión de fe- cuando cada fotón tiene el suyo? El tiempo va a acabar como la temperie, impredecible, caótico.

  8. LLuís:

    Respecto a las discusiones que se ha generado en los comentarios precedentes sobre isotropía y anisotropía cabe tener en cuenta que la gravedad rompe la simetría (de ahí que se pueda decir que el univero surge de la “nada”).Pero también se podría pensar que la isotropía no se debe a la ausencia de simetrías, sino a que cuando estas son tantas y están muy bien repartidas hacen que la globalidad vuelva a ser isótropa. Por otra parte los fotones sí tienen distintas propiedades (a parte de su energía)que hace que no sean “exáctamente” iguales unos a otros, al menos en cierto modo, puesto que existen fotones con distintas polarizaciones(la polarización es una propiedad de los fotones relacionada con la dirección de la vibración de las componentes eléctrica y magnética de su campo electromagnético).
    ” El segundo campo era un campo escalar que tenía un valor para cada punto del espacio y que se interpreta como el tipo de materia más simple”. ¿Y cual es el tipo de materia más simple?. Suponiendo como se supone que el electrón es el tipo de matería más simple, ¿es esa interpretación una especie de abstracción? ¿o se puede pensar en algo más “simple” que un electrón?.
    Para terminar decir que este estudio, a pesar de lo difícil que resulte para ser comprobado por los experimentalistas, me parece muy interesante.

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