Los mayores misterios: ¿qué es el espacio-tiempo?

Las personas siempre toman espacio para sí mismasPor supuesto. Al final, es solo el vacío: un contenedor para todo lo demás. El tiempo corre continuamente. Pero los físicos son personas así, siempre necesitan complicar algo. Tratando regularmente de combinar sus teorías, descubrieron que el espacio y el tiempo se fusionan en un sistema tan complejo que una persona común no puede entender.

Visualización de espacio y tiempo.

Albert Einstein entendió lo que nos espera, de vuelta enNoviembre de 1916 Un año antes, formuló la teoría general de la relatividad, según la cual la gravedad no es una fuerza que se extiende en el espacio, sino una propiedad del espacio-tiempo en sí. Cuando lanzas la pelota al aire, vuela en un arco y regresa al suelo, porque la Tierra dobla el espacio-tiempo a su alrededor, por lo que los caminos de la pelota y la tierra se cruzan nuevamente. En una carta a un amigo, Einstein consideró la tarea de fusionar la teoría general de la relatividad con su otra creación, la teoría naciente de la mecánica cuántica. Pero sus habilidades matemáticas simplemente no eran suficientes. “¿Cómo me atormenté con esto?”, Escribió.

Einstein nunca llegó a ninguna parte a este respecto. Incluso hoy, la idea de crear una teoría cuántica de la gravedad parece extremadamente distante. Las disputas ocultan una verdad importante: todos los enfoques competitivos dicen que el espacio nace en un lugar más profundo, y esta idea rompe la visión científica y filosófica que se ha establecido durante 2500 años.

Por el agujero negro

Un imán de nevera común es genialilustra el problema que los físicos han encontrado. Puede anclar un trozo de papel y resistir la gravedad de toda la Tierra. La gravedad es más débil que el magnetismo u otra fuerza eléctrica o nuclear. Cualesquiera que sean los efectos cuánticos detrás, serán más débiles. La única prueba tangible de que estos procesos generalmente tienen lugar es la imagen heterogénea de la materia en el Universo más temprano, que se cree que fue dibujada por fluctuaciones cuánticas del campo gravitacional.

Los agujeros negros son la mejor manera de probar cuánticagravedad "Este es el mejor ajuste para la experimentación", dice Ted Jacobson de la Universidad de Maryland College Park. Él y otros teóricos estudian los agujeros negros como puntos de apoyo teóricos. ¿Qué sucede cuando se toman ecuaciones que funcionan perfectamente en el laboratorio y se ajustan a las situaciones más extremas imaginables? ¿Habrá algún defecto sutil?

La teoría general relativamente predice queuna sustancia que cae en un agujero negro se contrae infinitamente a medida que se acerca al centro, un callejón sin salida matemático llamado singularidad. Los teóricos no pueden imaginar la trayectoria de un objeto más allá de los límites de la singularidad; Todas las líneas convergen en ella. Incluso hablar de él como un lugar es problemático, porque el espacio-tiempo mismo, que determina la ubicación de la singularidad, deja de existir. Los científicos esperan que la teoría cuántica pueda proporcionarnos un microscopio que nos permita examinar este punto infinitesimal de densidad infinita y comprender qué sucede con la materia que cae en él.

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En el borde del agujero negro, la sustancia no es tanapretada, la gravedad es más débil y, hasta donde sabemos, todas las leyes de la física deberían funcionar. Y el hecho de que no funcionen es aún más desalentador. El agujero negro está limitado por el horizonte de sucesos, el punto de no retorno: la sustancia que supera el horizonte de sucesos no volverá. El descenso es irreversible. Esto es un problema porque todas las leyes conocidas de la física fundamental, incluida la mecánica cuántica, son reversibles. Al menos, en principio, en teoría, debería ser capaz de revertir el movimiento y restaurar todas las partículas que tenía.

Los físicos enfrentaron un rompecabezas similar al final1800, cuando consideraban las matemáticas del "cuerpo negro", idealizado como una cavidad llena de radiación electromagnética. La teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell predijo que dicho objeto absorbería toda la radiación que cae sobre él y nunca entraría en equilibrio con la materia circundante. "Puede absorber una cantidad infinita de calor de un tanque que se mantiene a una temperatura constante", explica Rafael Sorkin, del Instituto de Física Teórica de Ontario en el perímetro. Desde un punto de vista térmico, tendrá una temperatura de cero absoluto. Esta conclusión contradice las observaciones de los cuerpos negros reales (como un horno). Continuando con el trabajo sobre la teoría de Max Planck, Einstein demostró que un cuerpo negro puede alcanzar el equilibrio térmico si la energía de radiación viene en unidades discretas, o cuantos.

Los físicos teóricos han estado tratando de lograr casi medio sigloUna solución similar para los agujeros negros. El difunto Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge dio un paso importante a mediados de los años 70, aplicando la teoría cuántica al campo de radiación alrededor de los agujeros negros y mostrando que tenían una temperatura diferente de cero. Por lo tanto, no solo pueden absorber, sino también irradiar energía. Aunque su análisis atornilló los agujeros negros en el campo de la termodinámica, también exacerbó el problema de la irreversibilidad. La radiación saliente se emite en el límite de un agujero negro y no transporta información de los intestinos. Esta es energía térmica aleatoria. Si invierte el proceso y alimenta esta energía a un agujero negro, no aparece nada: solo obtiene aún más calor. Y es imposible imaginar que algo quedó en el agujero negro, solo atrapado, porque a medida que el agujero negro emite radiación, se contrae y, según el análisis de Hawking, finalmente desaparece.

Este problema se llama informativo.Paradoja, porque un agujero negro destruye la información sobre las partículas que ingresaron, que podría intentar recuperar. Si la física de los agujeros negros es realmente irreversible, algo necesita llevar la información de regreso, y nuestro concepto de espacio-tiempo puede necesitar ser cambiado para adaptarse a este hecho.

Átomos espacio-temporales

El calor es el movimiento aleatorio de microscópicopartículas, como las moléculas de gas. Dado que los agujeros negros pueden calentarse y enfriarse, sería razonable suponer que están compuestos de partes, o, en general, de una estructura microscópica. Y dado que un agujero negro es simplemente un espacio vacío (según GR, la materia que cae en un agujero negro pasa a través del horizonte de eventos sin detenerse), partes del agujero negro deben ser partes del espacio mismo. Y debajo de la engañosa simplicidad de un espacio vacío plano hay una colosal complejidad.

Incluso teorías que deberían haberse mantenidoSegún la noción tradicional del espacio-tiempo, llegamos a la conclusión de que algo se esconde debajo de esta superficie lisa. Por ejemplo, a fines de la década de 1970, Stephen Weinberg, que ahora trabaja en la Universidad de Texas en Austin, trató de describir la gravedad de la misma manera que otras fuerzas de la naturaleza. Y descubrió que el espacio-tiempo se modifica radicalmente en su escala más pequeña.

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Los físicos inicialmente visualizadosEl espacio microscópico como un mosaico de pequeñas piezas de espacio. Si los incrementa a escalas de Planck, inconmensurablemente pequeñas en tamaño de 10 a 35 metros, los científicos creen que puede ver algo como un tablero de ajedrez. O tal vez no. Por un lado, dicha red de líneas de espacio de ajedrez preferirá una dirección a otra, creando asimetrías que contradicen la teoría especial de la relatividad. Por ejemplo, la luz de diferentes colores se moverá a diferentes velocidades, como en un prisma de vidrio que rompe la luz en sus colores constituyentes. Aunque las manifestaciones a pequeña escala serán muy difíciles de notar, las violaciones de la relatividad general serán francamente obvias.

La termodinámica del agujero negro pone en dudaUna imagen del espacio en forma de un simple mosaico. Al medir el comportamiento térmico de cualquier sistema, puede contar sus partes, al menos en principio. Libere energía y mire el termómetro. Si la columna ha despegado, la energía debería extenderse a relativamente pocas moléculas. De hecho, se mide la entropía de un sistema, que es su complejidad microscópica.

Si haces esto con una sustancia ordinaria,El número de moléculas aumenta con el volumen del material. Entonces, en cualquier caso, debería ser: si aumenta el radio de la pelota de playa en 10 veces, dentro de ella se ajustarán 1000 veces más moléculas. Pero si aumenta el radio de un agujero negro en 10 veces, el número de moléculas en él se multiplica por solo 100 veces. El número de moléculas en que consiste no debe ser proporcional a su volumen, sino al área de la superficie. Un agujero negro puede parecer tridimensional, pero se comporta como un objeto bidimensional.

Este extraño efecto se llamadel principio holográfico, porque se asemeja a un holograma, que vemos como un objeto tridimensional, y al examinarlo más de cerca resulta ser una imagen producida por una película bidimensional. Si el principio holográfico toma en cuenta los componentes microscópicos del espacio y sus contenidos, que los físicos admiten, aunque no todos, para crear espacio, no será suficiente simplemente emparejar sus piezas más pequeñas.

Redes complejas

En los últimos años, los científicos se han dado cuenta de que esto es todoel enredo cuántico debe estar implicado. Esta propiedad profunda de la mecánica cuántica, un tipo de conexión extremadamente potente, parece mucho más primitiva que el espacio. Por ejemplo, los experimentadores pueden crear dos partículas volando en direcciones opuestas. Si están confundidos, permanecerán conectados independientemente de la distancia que los separe.

El tiempo es relativo, no lo olvides

Tradicionalmente, cuando la gente hablaba de "cuántico"Las gravitaciones tenían en mente la discreción cuántica, las fluctuaciones cuánticas y todos los demás efectos cuánticos, pero no el enredo cuántico. Todo ha cambiado gracias a los agujeros negros. Durante la vida del agujero negro, las partículas enredadas caen dentro de él, pero cuando el agujero negro se evapora por completo, los socios fuera del agujero negro permanecen enredados, sin nada. "La venta ambulante debería llamarlo un problema de enredo", dice Samir Matur, de la Universidad Estatal de Ohio.

Incluso en un vacío donde no hay partículas,los campos electromagnéticos y otros están internamente confundidos. Si mide el campo en dos lugares diferentes, sus lecturas fluctuarán ligeramente, pero permanecerán en coordinación. Si divide la región en dos partes, estas partes estarán en correlación, y el grado de correlación dependerá de la propiedad geométrica que tengan: el área de la interfaz. En 1995, Jacobson declaró que el enredo proporciona un vínculo entre la presencia de materia y la geometría del espacio-tiempo, y por lo tanto podría explicar la ley de la gravedad. "Más confusión: la gravedad es más débil", dijo.

Algunos enfoques de la gravedad cuántica: antesEn general, la teoría de cuerdas: veo el enredo como una piedra angular importante. La teoría de cuerdas aplica el principio holográfico no solo a los agujeros negros, sino al universo en su conjunto, proporcionando una receta para crear espacio, o al menos una parte de él. El espacio bidimensional original servirá como límite de un espacio volumétrico más grande. Y el enredo conectará el espacio volumétrico en un todo único y continuo.

En 2009, Mark Van Raamsdonck de la UniversidadColumbia Británica proporcionó una elegante explicación para este proceso. Suponga que los campos en el límite no están enredados, forman un par de sistemas fuera de correlación. Corresponden a dos universos separados, entre los cuales no hay forma de comunicación. Cuando los sistemas se enredan, se forma un túnel, un agujero de gusano, como si entre estos universos y naves espaciales pudieran moverse entre ellos. Cuanto mayor sea el grado de enredo, menor será la longitud del agujero de gusano. Los universos se fusionan en uno y ya no son dos separados. "La llegada del gran espacio-tiempo conecta directamente el enredo con estos grados de libertad de la teoría de campo", dice Van Raamsdonk. Cuando observamos correlaciones en campos electromagnéticos y otros, son el resto de la cohesión que une el espacio.

Muchas otras características del espacio además desu conectividad también puede reflejar confusión. Van Raamsdonck y Brian Swingle, que trabajan en la Universidad de Maryland, sostienen que la ubicuidad del enredo explica la universalidad de la gravedad, que afecta a todos los objetos y penetra en todas partes. En cuanto a los agujeros negros, Leonard Sasskind y Juan Maldacena creen que el enredo entre un agujero negro y la radiación emitida por él crea un agujero de gusano, una entrada negra a un agujero negro. De esta manera, la información se almacena y la física del agujero negro es irreversible.

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Aunque estas ideas de la teoría de cuerdas funcionan solo para geometrías específicas y reconstruyen solo una dimensión del espacio, algunos científicos están tratando de explicar la apariencia del espacio desde cero.

En física, y de hecho en ciencias naturales,El espacio y el tiempo son la base de todas las teorías. Pero nunca notamos el espacio-tiempo directamente. Más bien, deducimos su existencia de nuestra experiencia diaria. Suponemos que la explicación más lógica de los fenómenos que vemos será algún mecanismo que funcione en el espacio-tiempo. Pero la gravedad cuántica nos dice que no todos los fenómenos encajan perfectamente en esa imagen del mundo. Los físicos necesitan comprender lo que es aún más profundo, los entresijos del espacio, la parte posterior de un espejo liso. Si tienen éxito, terminaremos la revolución que comenzó hace más de un siglo por Einstein.