Científicos sugieren que el espacio-tiempo puede estar formado por «píxeles de espacio-tiempo» individuales, en lugar de ser suave y continuo como parece.
Universo pixelado.
Las dunas de arena vistas desde lejos parecen suaves y sin arrugas, como sábanas de seda extendidas por el desierto. Pero una inspección más cercana revela mucho más. A medida que uno se acerca a las dunas, puede notar ondas en la arena. Toca la superficie y encuentra granos individuales. Lo mismo es cierto para las imágenes digitales: al ampliar lo suficiente un retrato aparentemente perfecto vemos los distintos píxeles que lo componen.
Teniendo lo anterior en cuenta, ¿podría el universo a nuestro alrededor estar pixelado de manera similar?
Científicos como Rana Adhikari, profesor de física en Caltech, piensan que sí. El espacio en el que vivimos puede no ser perfectamente uniforme, y en su lugar estar hecho de unidades discretas increíblemente pequeñas.
«Un píxel del espacio-tiempo es tan pequeño que si agrandaras las cosas hasta que tuvieran el tamaño de un grano de arena, los átomos serían tan grandes como las galaxias», explicó.
Gravedad cuántica
Adhikari y científicos de todo el mundo están a la caza de este pixelado porque es una predicción de la gravedad cuántica, uno de los misterios físicos más profundos de nuestro tiempo.
La gravedad cuántica se refiere a un conjunto de teorías, incluida la de cuerdas, que busca unificar el mundo macroscópico de la gravedad —gobernado por la relatividad general— con el mundo microscópico de la física cuántica. En el centro del misterio está la cuestión de si la gravedad y el espacio-tiempo en el que habita pueden «cuantificarse» o descomponerse en componentes individuales, un sello distintivo del mundo cuántico.
«A veces hay una mala interpretación en la comunicación científica que implica que la mecánica cuántica y la gravedad son irreconciliables», dijo Cliff Cheung, profesor de física teórica de Caltech. «Pero sabemos por experimentos que podemos hacer mecánica cuántica en este planeta, que tiene gravedad, por lo que claramente son consistentes. Los problemas surgen cuando haces preguntas sutiles sobre los agujeros negros o intentas fusionar las teorías en escalas de distancia muy cortas».
Debido a las escalas increíblemente pequeñas en cuestión, algunos científicos han considerado que encontrar pruebas de la gravedad cuántica en un futuro previsible es una tarea imposible. Aunque a los investigadores se les ha ocurrido ideas sobre cómo podrían hallar pistas sobre su existencia —alrededor de los agujeros negros, en el universo primitivo, o incluso utilizando LIGO (los observatorios financiados por la Fundación Nacional de Ciencias que detectan ondas gravitacionales)— nadie ha encontrado indicios de gravedad cuántica en la naturaleza.
Proyecto QuRIOS
A la profesora de física teórica Kathryn Zurek le gustaría cambiar eso. Recientemente formó una nueva colaboración multiinstitucional, financiada por la Fundación Heising-Simons, para pensar en cómo observar las firmas de la gravedad cuántica.
El proyecto, llamado QuRIOS (Quantum gRavity and Its Observational Signatures), une a los teóricos de cuerdas —que están familiarizados con las herramientas formales de la gravedad cuántica pero tienen poca práctica en el diseño de experimentos— con teóricos de partículas y constructores de modelos que tienen experiencia con experimentos pero no funcionan con la gravedad cuántica.
«La idea de que podrías buscar características observables de la gravedad cuántica está muy lejos de la corriente principal», señaló Zurek. «Pero nos perderemos en el desierto si no comenzamos a centrarnos en formas de vincular la gravedad cuántica con el mundo natural en el que vivimos. Tener firmas observacionales en las que pensar nos une a los teóricos y nos ayuda a progresar en nuevos tipos de preguntas».
Conectando pixeles
Como parte de la colaboración de Zurek, trabajará con Adhikari para desarrollar un nuevo experimento que utilice instrumentos de mesa. El experimento propuesto, llamado GQuEST (Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time), no podrá detectar píxeles individuales del espacio-tiempo, sino conexiones entre los píxeles que dan lugar a firmas observables.
Adhikari compara la búsqueda con sintonizar viejos televisores.
Rana Adhikari (izquierda) y Kathryn Zurek. Crédito: Lance Hayashida/Caltech.
«Cuando era niño, no podíamos tener NBC, y tratábamos de sintonizarnos para conseguirlo. Pero la mayor parte del tiempo, veríamos la nieve pixelada. Sabemos que parte de esa nieve proviene del fondo cósmico de microondas, o del nacimiento del universo, pero si sintonizas justo al final de eso, podrías encontrar nieve de tormentas solares y otras señales. Eso es lo que estamos tratando de hacer: sintonizarnos cuidadosamente con la nieve o las fluctuaciones del espacio-tiempo. Buscaremos ver si la nieve fluctúa de manera que se alinee con nuestros modelos de gravedad cuántica. Nuestra idea podría estar equivocada, pero tenemos que intentarlo».
Y es que resolver el problema de la gravedad cuántica sería uno de los mayores logros de la física, a la par de las dos teorías que los investigadores quieren fusionar.
La no-realidad del espacio-tiempo
Algunos científicos sugieren que los hipotéticos «gravitones» podrían compensar la gravedad en la escala más pequeña. Los gravitones son un componente de la teoría de cuerdas que resonarían a una frecuencia particular. Pero en una escala aún más pequeña que eso, los científicos todavía se están rascando la cabeza sobre cómo unificar las leyes de la relatividad general y la física cuántica.
El gravitón es una partícula elemental hipotética de tipo bosónico que sería la transmisora de la interacción gravitatoria en la mayoría de los modelos de gravedad cuántica. Imagen: ejemplo de la interacción de la fuerza de gravedad.
«Si dejo caer mi taza de café y se cae, me gustaría pensar que es la gravedad», bromeó Adhikari. «Pero, de la misma manera que la temperatura no es “real” sino que describe cómo vibran un montón de moléculas, el espacio-tiempo podría no ser algo real».
Lo mismo puede ocurrir con el espacio-tiempo.
«Puede ser que algo que surge del pixelado del espacio-tiempo haya recibido el nombre de gravedad porque aún no entendemos cuáles son las entrañas del espacio-tiempo», concluyó.
