domingo, 23 de septiembre de 2012

El espaciotiempo cuántico es como la espuma hule de acuerdo a un estudio

Un estudio reciente de explosiones de rayos gamma efectuado por el profesor Robert Nemiroff y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Michigan provee la primera evidencia convincente en relación a la "suavidad" del espacio tiempo a pequeña escala. De hecho, el estudio del espacio a una escala tan reducida fue conseguira mediante la medición de una serie de rayos gamma captados después de haber viajado más de 10 000 millones de años luz.

El espacio tiempo es esa arena de 4 dimensiones (tres dimensiones de longitud y una correspondiente al tiempo) en el cual transcurre nuestra existencia. La Relatividad nos dice que el espaciotiempo es curvo, y que esa curvatura causa la fuerza de gravedad. Como analogía de dos dimensiones para el espaciotiempo, podríamos decir que este se comporta como una hoja elástica muy delgada en la cual si colocamos una pelota, esta se va a quedar en el mismo sitio si la hoja se mantiene plana pero si la hoja adquiere forma curva entonces la pelota se va a mover.

Sobre la superficie de la Tierra, el espaciotiempo es casi plano, con solo una pequeña curvatura asociada con la gravedad terrestre. Tramos de miles de millones de años luz del Universo también parecen planos, con solo una pequeña curvatura que se forma cerca de los grupos de galaxias. Sin embargo algo extraño sucede cuando tratamos de averiguar como luce el espaciotiempo en longitudes extremadamente pequeñas. Este algo extraño se conoce como espuma cuántica.

La espuma cuántica es una descripción conceptual acerca de como el espaciotiempo se manifiesta en las escalas de longitud más pequeñas - mucho más pequeñas que las partículas elementales. De la mecánica cuántica viene la idea de las partículas virtuales, que son partículas masivas que pueden aparecer por un periodo de tiempo tan corto que el Principio de Incertidumbre nos impide verlas. De acuerdo a la Relatividad, la masa (incluyendo la masa virtual) curva el espaciotiempo. De esta manera, cuando aparece una partícula virtual, la curvatura del espaciotiempo cambia.

Más partículas virtuales masivas están restringidas a volúmenes más pequeños de espacio tiempo conforme aparecen por periodos que se vuelven menores conforme las partículas se vuelven más masivas, e incluso las partículas virtuales son incapaces de viajar más rápido que la luz. Eventualmente, conforme la masa de una partícula virtual aumenta, esta masa incrementada se localiza en una región suficientemente pequeña como para formar un agujero negro extraordinariamente pequeño. Esto ocurre para una masa de alrededor de 10 microgramos.

En este punto, el espaciotiempo está lleno de regiones fluctuantes de curvatura que aparecen y desaparecen con suma rapidez. En nuestra escala, toda esta actividad en promedio aparece como una hoja de papel ligeramente curvada. A escala cuántica (longitudes de alrededor de 1 centímetro dividido entre mil quatrillones de quatrillones de centímetros, también conocida como la longitud de Planck), el espaciotiempo presenta una geometría cambiante que ha sido comparada con la espuma. Esta es la espuma cuántica.

En el presente, nuestros instrumentos pueden cuando mucho examinar estructuras cien mil billones de veces más grandes que la escala cuántica - una diferencia tan vasta que detectar la espuma cuántica se ha estimado como algo imposible o casi imposible. ¿Pero, que pasaría si la espuma cuántica tuviera efectos que pueden ser detectados?

La velocidad de la luz se considera como un valor simple y constante sin importar la longitud de onda de la luz (en ciertas teorías sobre gravedad cuántica esto no se considera del todo cierto). ¿No obstante, puede la distancia entre dos puntos cambiar dependiendo del color de la luz empleada para medir esa longitud? Aquí tenemos una analogía. Supongamos que queremos medir el radio de un viejo disco de vinilo. Una forma de hacerlo es tomar la aguja del fonógrafo y tirar de ella a través de la superficie del disco, mientras al mismo tiempo se da seguimiento a la distancia que se desplaza la aguja. El sonido "brrrrrrip" producido ocurre debido a que la punta de la aguja se está moviendo arriba y abajo sobre los surcos del disco así como radialmente hacia el centro de este. El radio medido será la distancia de ir arriba y abajo de los surcos además de la distancia radial horizontal.

Ahora, si empleamos una bola de ping pong en lugar de la aguja para efectuar la misma medición el resultado será distinto. En esta ocasión, la pelota de ping pong casi no se ve afectada por los surcos debido a que es demasiado grande y contundente para caer en ellos. Como resultado, la distancia medida en esta ocasión es casi igual al radio horizontal del disco - el radio del disco medido por medio de la aguja es bastante mayor al radio medido con la pelota de ping pong.

La misma idea puede ser aplicada a la hora de medir la distancia en el espaciotiempo. Con una velocidad de la luz constante, la distancia entre dos puntos puede ser determinada midiendo el tiempo que le toma a la luz ir de un punto a otro. Un fotón con una longitud de onda muy corta puede verse afectado por las ondulaciones en el espaciotiempo debido a la espuma cuántica, mientras que un fotón con una longitud de onda mayor probablemente es menos afectado por lo cual registrará una menor distancia.

Es aquí donde entran los estallidos de rayos gamma. Los fotones en los que se basa este estudio fueron detectados por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi y se seleccionaron por haber llegado en un grupo de fotones que tenían un amplio rango de energías, todos los cuáles fueron emitidos en un simple estallido de rayos gamma.

Un conjunto de fotones en particular, originado en una galaxia a casi siete mil millones de años luz de distancia, difirieron en su tiempo de llegada por solo 1.55 milisegundos. Esto marca la diferencia en distancia entre los fotones (cuyas energías variaron en un rango de 1.58 a 24.7 GeV) a una distancia de menos de 500 kilómetros, o una parte en mil millones de billones.

Un límite similar fue encontrado en un estudio anterior de fotones con energías entre 30 a 200 KeV. A  pesar de ser tan pequeña la diferencia en distancia, puede ser comparada con cálculos preliminares sobre gravedad cuántica con el fin de determinar a que escala de tamaño el tejido del espacio puede ser pixelado. De acuerdo al grupo de investigadores de este estudio, el espaciotiempo está libre de irregularidades mayores en escalas de tamaño por debajo de unas 525 longitudes Planck de longitud. Tal parece que el espaciotiempo aparece inesperadamente suave en las más pequeñas distancias significativas, teniendo después una forma similar a la del hule espuma en lugar de espuma de cerveza.





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