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¿Qué pasaría si el espacio-tiempo fuera "discreto"?

Cambiaría para siempre la naturaleza de la realidad.

¿Qué pasaría espacio-tiempo fuera "discreto"?

(Imagen: © Shutterstock)

¿Es nuestra realidad fundamental continua o está cortada en pedacitos diminutos y discretos?

Preguntado de otra manera, ¿es el espacio-tiempo suave o grueso? La pregunta llega al corazón de las teorías más fundamentales de la física, vinculando la forma en que el espacio y el tiempo se cruzan con el material de nuestra existencia cotidiana.

Sin embargo, ha sido imposible probar experimentalmente la naturaleza del espacio y el tiempo, debido a las energías extremas necesarias para sondear escalas tan pequeñas en el universo. Es decir, hasta ahora. Un equipo de astrónomos ha propuesto un nuevo y ambicioso plan para utilizar una flota de pequeñas naves espaciales para detectar cambios sutiles en la velocidad de la luz, un sello distintivo de algunas de las teorías más alucinantes del cosmos. Si el espacio y el tiempo se dividen en pequeños trozos, la investigación podría allanar el camino para una comprensión completamente nueva de la realidad.

Discreto vs. suave

La cuestión de "qué es el espacio y el tiempo" se remonta a miles de años atrás, y nuestra comprensión moderna descansa sobre dos pilares extrañamente incompatibles: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein.

En relatividad general, el espacio y el tiempo se entretejen en el tejido unificado del espacio-tiempo, la etapa cuatridimensional que sustenta nuestro universo. Este espacio-tiempo es continuo, lo que significa que no hay huecos en ninguna parte; todo es una textura suave. Sin embargo, el espacio-tiempo no es sólo una plataforma para que nosotros hagamos lo que nos corresponde; también es un jugador: La flexión y deformación del espacio-tiempo nos da nuestra experiencia de la gravedad.

En la esquina opuesta, un conjunto de reglas llamado mecánica cuántica gobierna las interacciones de las cosas muy pequeñas en el universo. La mecánica cuántica se basa en la idea de que no gran parte de nuestra experiencia diaria es suave y continua, pero sí gruesa. En otras palabras, está cuantizado. La energía, el impulso, el giro y muchas otras propiedades de la materia vienen en paquetes pequeños y discretos.

Es más, la mecánica cuántica también se divide en dos campos. Por un lado, tenemos las partículas familiares de nuestra existencia cotidiana, como los electrones y los protones, que interactúan y hacen otras cosas interesantes. Estos son obviamente muy gruesos, ya que son "cosas" discretas. Por otro lado, tenemos los campos cuánticos. En el mundo subatómico, cada tipo de partícula tiene su propio campo que se extiende a través del espacio-tiempo; cuando pensamos en partículas, pensamos en pequeñas vibraciones en sus campos, que a su vez interactúan con otras partículas, y hacen otras cosas interesantes. Los campos son comprensiblemente muy lisos.

Bits de tiempo y espacio

Así que, tenemos algunas fotos lisas de nuestro universo y otras más gruesas. Cuando se trata del espacio-tiempo en sí, podemos imaginar fácilmente extender los conceptos de la mecánica cuántica hasta su conclusión lógica, y determinar que el espacio y el tiempo son discretos: el tejido mismo de la realidad está dividido como píxeles en una pantalla de ordenador, y lo que experimentamos como un movimiento suave y continuo no es más que una cuadrícula de píxeles discretos en la más pequeña de las escalas.

Muchas teorías de la fusión de la mecánica cuántica y la relatividad general, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, predicen alguna forma de espacio-tiempo discreto (aunque las predicciones precisas, las interpretaciones y las implicaciones de esa torpeza todavía no se comprenden bien). Si pudiéramos encontrar evidencia para un espacio-tiempo discreto, no sólo reescribiría completamente nuestra comprensión de la realidad, sino que también abriría la puerta a una revolución en la física.

Esta discreción sólo puede revelarse de las maneras más sutiles; de lo contrario, ya la hubiéramos visto. Varias teorías han predicho que si el espacio-tiempo fuera realmente grueso, entonces la velocidad de la luz podría no ser totalmente constante - podría cambiar ligeramente dependiendo de la energía de esa luz. La luz de mayor energía tiene una longitud de onda más corta, y cuando la longitud de onda se vuelve lo suficientemente pequeña, puede "ver" la parte gruesa del espaciotiempo. Imagínate caminar por la acera: con los pies grandes no notas ninguna grieta o protuberancia, pero si tuvieras pies microscópicos tropezarías con cada pequeña imperfección, lo que te ralentizaría. Pero este cambio es increíblemente pequeño; si el espacio-tiempo es discreto, está en una escala más de mil millones de veces menor que la que podemos probar actualmente en nuestros experimentos más poderosos.

En busca del Grial

Entra en GrailQuest: el Laboratorio Internacional de Astronomía de Rayos Gamma para la Exploración Cuántica del Espacio-Tiempo. Un equipo de astrónomos presentó una propuesta para esta misión en respuesta a una llamada de la Agencia Espacial Europea (ESA) para nuevas ideas sobre la caza del espacio y el tiempo. Su propuesta se detalla en la base de datos

, lo que significa que aún no ha sido revisada por sus pares en el campo.

Aquí está la primicia: Para ver si la velocidad de la luz cambia con diferentes energías, necesitamos recolectar una gran cantidad de la luz de mayor energía en el universo, y GrailQuest espera hacer precisamente eso.

GrailQuest consiste en una flota de naves espaciales pequeñas y simples (el número exacto varía, desde unas pocas docenas si los satélites son más grandes hasta más de unos pocos miles si son más pequeños) para monitorear constantemente el cielo en busca de estallidos de rayos gamma. Estas son algunas de las explosiones más poderosas del universo. Como su nombre indica, estos estallidos liberan copiosas cantidades de fotones de alta energía, también conocidos como rayos gamma. Estos rayos gamma viajan a través de miles de millones de años antes de llegar a la flota de naves espaciales, que registran la energía de los rayos gamma y las diferencias de tiempo a medida que el estallido lava la flota.

Con suficiente precisión, GrailQuest podría ser capaz de revelar si el espacio-tiempo es discreto. Al menos, tiene la configuración correcta: Está examinando la luz de más alta energía (que es la más afectada en las teorías que predicen que el espacio-tiempo es grueso); los rayos gamma han estado viajando durante miles de millones de años-luz (permitiendo que el efecto se acumule con el tiempo); y la nave espacial es lo suficientemente simple como para producir en masa (de modo que toda la flota puede ver tantos eventos como sea posible, a través del cielo).

¿Cómo cambiarían nuestras concepciones de la realidad si GrailQuest encontrara pruebas de la discreción del espacio-tiempo? Es imposible de decir - nuestras teorías actuales están por todas partes cuando se trata de implicaciones. Pero no importa lo que pase, vamos a tener que esperar. Esta ronda de propuestas de la ESA se lanzará entre 2035 y 2050. Mientras esperamos, podemos debatir si el tiempo transcurrido entre ahora y entonces es fundamentalmente suave o discreto.

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