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El espacio-tiempo forma un arco-iris como el de la luz

Físicos teóricos de la Universidad de Varsovia (Polonia) han demostrado que el espacio-tiempo produce una especie de arco iris como el de la luz, es decir, que las partículas perciben el espacio-tiempo de forma diferente según su energía.

El espacio-tiempo forma un arco-iris como el de la luz

Cuando la luz blanca pasa a través de un prisma, el arco iris que aparece al otro lado revela una rica paleta de colores. Físicos teóricos de la Universidad de Varsovia han demostrado que en los modelos del Universo que utilizan alguna de las teorías cuánticas de la gravedad también debe haber un «arco iris» parecido, compuesto por diferentes versiones del espacio-tiempo.

El mecanismo predice que en lugar de un solo espacio-tiempo común, las partículas de diferentes energías básicamente perciben versiones ligeramente modificadas del mismo.

Probablemente todos hemos visto el experimento: cuando la luz blanca pasa a través de un prisma se divide para formar un arco iris. Esto es porque la luz blanca es de hecho una mezcla de fotones de diferentes energías, y cuanto mayor es la energía del fotón, más lo desvía el prisma.

Por lo tanto, podríamos decir que el arco iris se debe a que los fotones de diferentes energías sienten el mismo prisma con propiedades ligeramente diferentes. Desde hace años se ha sospechado que las partículas de diferentes energías de los modelos cuánticos del universo sienten el espacio-tiempo con estructuras ligeramente diferentes.

Estas hipótesis no se derivaban de la teoría cuántica, sin embargo, sino que se basaban en conjeturas. Ahora, el grupo de la universidad polaca, dirigido por Jerzy Lewandowski, ha formulado un mecanismo general responsable de la aparición de un arco iris espacio-tiemporal.

«Hace dos años informamos de que en nuestros modelos cosmológicos cuánticos, los diferentes tipos de partículas sienten la existencia de espacio-tiempos con propiedades ligeramente diferentes. Ahora resulta que la situación es aún más complicada. Hemos descubierto un mecanismo verdaderamente genérico, por lo que el tejido del espacio-tiempo sentido por una partícula dada debe variar en función no sólo de su tipo, sino incluso de su energía «, dice el profesor Lewandowski en la nota de prensa de la universidad.

En el debate actual los físicos de Varsovia están utilizando un modelo cosmológico que contiene sólo dos componentes: la gravedad y un tipo de materia. Bajo la teoría general de la relatividad, un campo gravitatorio se describe como deformaciones del espacio-tiempo, mientras que la materia se representa como un campo escalar (el tipo más simple de campo, en el que a cada punto del espacio se le asigna un único valor).

«Hoy en día hay muchas teorías que compiten con la gravedad cuántica. Por lo tanto, formulamos nuestro modelo en términos muy generales de modo que se pueda aplicar a cualquiera de ellos. Alguien podría asumir el tipo de campo gravitatorio -que en la práctica equivale al espacio-tiempo- que se postula en una teoría cuántica, y otra persona podría asumir otro. Algunos operadores matemáticos del modelo cambian, pero no la naturaleza de los fenómenos que ocurren en él», explica el estudiante de doctorado Andrea Dapor (UW Física).

El modelo así diseñado fue luego cuantizado : en otras palabras, los valores continuos, que pueden diferir entre sí en cualquier cuantía arbitrariamente pequeña, se convierten en valores discretos, que sólo pueden diferir en intervalos específicos (cuantos).

La investigación sobre la dinámica del modelo cuantizado reveló un resultado sorprendente: los procesos modelados usando la teoría cuántica sobre el espacio-tiempo cuántico mostraron la misma dinámica que cuando la teoría cuántica se aplica a un espacio-tiempo continuo clásico, es decir, el que conocemos de la experiencia cotidiana.

«Este resultado es simplemente asombroso. Empezamos con el mundo difuso de la geometría cuántica, donde incluso es difícil decir cuál es el tiempo y lo que es el espacio, y sin embargo, los fenómenos que ocurren en nuestro modelo cosmológico se ven ¡como si estuvieran sucediendo en el espacio-tiempo ordinario!», dice el estudiante de doctorado Mehdi Assanioussi.

Las cosas dieron un giro aún más interesante cuando los físicos observaron excitaciones del campo escalar, que es interpretado como partículas. Los cálculos demostraron que en este modelo las partículas que difieren en términos de energía interactúan con el espacio-tiempo cuántico de manera algo diferente -del mismo modo que los fotones de diferentes energías interactúan con un prisma de manera algo diferente. Este resultado significa que incluso la estructura efectiva del espacio-tiempo clásico detectada por partículas individuales debe depender de su energía.

Arco iris

La aparición de un arco iris normal se puede describir en términos de un índice de refracción, cuyo valor varía en función de la longitud de onda de la luz. En el caso del arco iris análogo del espacio-tiempo, se propone una relación similar: la función beta, una medida del grado en que la estructura del espacio-tiempo clásico difiere según la experiencia de las diferentes partículas.

Esta función refleja el grado de no-clasicidad del espacio-tiempo cuántico: en condiciones similares a las clásicas, la función es casi 0, mientras que en condiciones verdaderamente cuánticas su valor es cercano a 1.

Hoy en día el Universo está en un estado de tipo clásico, por lo que el valor beta debe estar cerca de 0, y las estimaciones realizadas por otros grupos de físicos de hecho sugieren que no excede de 0,01. Este pequeño valor para la función beta significa que actualmente el arco iris espacio-temporal es muy estrecho y no puede ser detectado experimentalmente.

Gravedad

El estudio realizado por los teóricos de Varsovia, financiados por subvenciones del Centro Nacional de Ciencias de Polonia, ha dado otra conclusión interesante: el arco iris del espacio-tiempo es el resultado de la gravedad cuántica.

Los físicos en general comparten la opinión de que los efectos de este tipo sólo se hacen visibles en energías gigantescas cerca de la energía de Planck, miles de millones de millones de veces la energía de las partículas que se aceleran en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra (Suiza). Sin embargo, el valor de la función beta depende del tiempo, y en los momentos cercanos a la gran explosión podría haber sido mucho mayor.

Cuando beta está cerca de 1, el arco iris del espacio-tiempo se expande considerablemente. Como resultado, en tales condiciones quizás se pudo observar el efecto arco iris de la gravedad cuántica incluso a energías de partículas cientos de veces más pequeñas que la energía de los protones del LHC.

Referencia bibliográfica:

Mehdi Assanioussi, Andrea Dapor, Jerzy Lewandowski: Rainbow metric from quantum gravity. Physics Letters B (2015). DOI: 10.1016/j.physletb.2015.10.043.

RedacciónT21

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