El espacio-tiempo no es el mismo para todos

 El espacio-tiempo no es el mismo para todos
El espacio-tiempo no es el mismo para todas las partículas.

Antes del Big Bang, tal como la conocemos el espacio-tiempo no existía.

Entonces, ¿cómo nació?

El proceso de creación del espacio-tiempo normal, a partir de un estado anterior dominado por la gravedad cuántica, ha sido estudiado durante años por teóricos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

 Crédito de la imagen: Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

Los análisis recientes sugieren una conclusión sorprendente: no todas las partículas elementales están sujetas a un mismo espacio-tiempo.

Las partículas con masa no sólo experimentan diferentes espacios-tiempos que los fotones, sino que cada una ve su propia versión privada del espacio-tiempo, dependiendo de la dirección en que se mueve.

Hace varios millones de años, en una época tan solo un poco después del Big Bang, el Universo era tan denso y tan caliente que las partículas elementales sentían muy fuertemente la existencia de la gravedad.

Uno de los intentos de describir la gravedad cuántica es la llamada Gravedad Cuántica de Bucles (LQG).

Esta teoría supone que el espacio-tiempo es estructuralmente algo similar a un tejido: se compone de un gran número de muy pequeñas fibras enredadas en bucles.

Un campo con una superficie de un centímetro cuadrado puede contener 10^66 (un uno seguido de 66 ceros) de dichas fibras.

Hace tres años, el grupo del Prof. Jerzy Lewandowski, de la facultad de física de la Universidad de Varsovia, desarrolló un modelo matemático consistente con LQG, que combina la mecánica cuántica con la relatividad general.

El modelo supone la existencia de dos campos que interactúan entre sí.

Se trata de un campo gravitatorio, que se puede identificar con un espacio (ya que, según la teoría de la relatividad general, la gravedad deforma el espacio-tiempo, y este espacio-tiempo curvo da lugar a efectos gravitacionales), y un segundo campo escalar que asigna un número a cada punto en el espacio.

Este campo se interpreta como el tipo más simple de la materia.

La imagen de la realidad en el modelo propuesto por los físicos de la Universidad de Varsovia es cuántica, y por lo tanto tiene características muy diferentes a las del mundo cotidiano.

“En esta situación parece natural preguntarse: ¿cómo surgió el espacio-tiempo, que todos conocemos a partir de los estados primarios de la gravedad cuántica?

Y puesto que el espacio-tiempo normal habría nacido como resultado de la interacción entre la materia y la gravedad cuántica.

¿Podemos estar seguros de que cada tipo de materia definitivamente interactúan con un espacio-tiempo que tiene las mismas propiedades?”, se pregunta el profesor Lewandowski.

Para encontrar respuestas a estas preguntas, los teóricos inicialmente derivaron patrones de interacción entre los efectos de la gravedad cuántica y la materia para los dos casos matemáticamente más simples: partículas de masa cero en reposo y partículas simples (escalares) de masa no cero en reposo.

En el modelo estándar, que en la física moderna describe las partículas elementales y sus interacciones, las partículas pertinentes sin masa serían fotones y las partículas escalares de masa no cero en reposo serían el famoso bosón de Higgs, responsable de la masa de otras partículas: quarks y electrones, muones, taus y sus neutrinos asociados.

Tras derivar las ecuaciones que representan el comportamiento de las partículas de acuerdo con las leyes del modelo de gravedad cuántica, los físicos de la Universidad de Varsovia comenzaron a comprobar si se podían obtener ecuaciones similares con el uso del espacio-tiempo ordinario con diferentes simetrías.

Para las partículas sin masa resultó ser posible.

El espacio-tiempo buscado era isotrópico, es decir, tenía las mismas propiedades en todas las direcciones.

“De acuerdo con el modelo simplificado que investigamos, independientemente de si el fotón tiene un impulso mayor o menor, más o menos energía, el espacio-tiempo parece que es el mismo en todas las direcciones,” explica el Prof. Lewandowski.

Para las partículas con masa, la situación fue diferente. La existencia de la masa impone una condición adicional específica sobre la teoría.

Los físicos de la Universidad de Varsovia mostraron que no se puede construir un espacio-tiempo clásico, que al mismo tiempo reúna la condición de la masa y tenga las mismas propiedades en todas las direcciones.

El espacio-tiempo adecuado únicamente se podría encontrar entre espacios-tiempos anisotrópicos. La dirección preferida de estos espacios-tiempos fue la dirección de movimiento de la partícula.

“Las partículas con masa no sólo experimentan diferentes espacios-tiempos que los fotones, sino que cada una ve su propia versión privada del espacio-tiempo, dependiendo de la dirección en que se mueve.

Este hallazgo realmente nos tomó por sorpresa”, dice el estudiante de doctorado Andrea Dapor.

¿Este descubrimiento significa que el Universo de partículas con masa no es isótropo?

Esa afirmación sería de gran importancia experimental y observacional.

Sin embargo, la respuesta es no, el universo no tiene una dirección preferida.

Como observadores que estudiamos el comportamiento de las partículas elementales, somos clásicos, y no sistemas cuánticos, y en cierto sentido estamos “fuera” del mundo de las partículas.

De ahí que no es importante lo que cada partícula “experimente” de su espacio-tiempo. Independientemente de la dirección de movimiento, todas las partículas registradas en el laboratorio tendrán exactamente las mismas características.

Por esta razón, la confirmación experimental de las predicciones teóricas del equipo de la Universidad de Varsovia no será una tarea trivial.

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Fuente: Facultad de Física de la Universidad de Varsovia
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