2008/04/26

Gravedad cuántica, continuando la revolución de Einstein

La llamada gravedad cuántica trata de fundir en una sola las dos teorías físicas más soberbias con las que contamos, la relatividad general y la mecánica cuántica, que en el estado actual de nuestro conocimiento parecen incompatibles. Su estudio, ahora mismo, es en algunos aspectos análogo a la física de hace cien años, cuando se creía en los átomos, pero se ignaraban los detalles de su estructura. A pesar de ello, Boltzmann, Einstein y otros pudieron comprender muchas cosas sobre la materia utilizando únicamente el hecho de que estaba compuesta por átomos. Sin conocer nada más que su tamaño aproximado fueron incluso capaces de realizar predicciones de efectos observables. De forma parecida se han podido derivar resultados importantes a partir de modelos sencillos basados en tres principios que suponemos básicos: que el espacio es "emergente", no fundamental, que la descripción más esencial debe ser "discreta" (no continua) y que esta descripción supone "causalidad" de una forma fundamental, es decir, que las relaciones causales pueden determinar la propia geometría del espacio-tiempo.

Cuando se dice que el espacio es emergente y no fundamental, se quiere decir que el continuo del espacio es una ilusión y que, del mismo modo que la materia está compuesta de átomos, el espacio emerge como una aproximación de alguna entidad formada por elementos esenciales discretos. Pero las ideas sobre el espacio o sobre el espacio-tiempo son mucho más radicales todavía. Desde la relatividad general sabemos que el espacio-tiempo no es la entidad absoluta e inamovible que siempre se había creído y que su esencia está ligada a la de la matería-energía, de manera que en las proximidades de una gran masa se deforma como una membrana lo haría por la acción de un peso. Esta geometría del espacio-tiempo, ligada a la materia-energía indica a los rayos de luz como propagarse (el camino más corto) pues nada puede viajar más rápido que la luz, y una vez conocemos cómo se propaga ésta, podemos determinar qué acontecimientos pueden haber causado otro acontecimiento concreto, de lo que se deduce que la geometría del espacio-tiempo contiene información de cuáles son los acontecimientos que pueden causar otros y de cuáles son estos últimos. Es lo que llamamos la estructura causal del espacio-tiempo.

En el ámbito de la gravedad cuántica se cree que en realidad ocurre al contrario de lo que parece, es decir que son las relaciones causales las que deben determinar la geometría del espacio-tiempo. Se cree que la propia causalidad es lo fundamental y significativo incluso a un nivel donde la noción del espacio haya desaparecido. La idea fundamental es que la geometría de espacio-tiempo está compuesta por una gran cantidad de bloques o ladrillos apilados, cada uno de los cuales representa un sencillo proceso causal. Las reglas que gobiernan cómo se apilan los bloques son sencillas y también una sencilla fórmula proporciona la probabilidad mecánico-cuántica para cada uno de estos modelos de un espacio-tiempo cuántico.

Una de las reglas que se imponen es que cada espacio-tiempo cuántico tiene que entenderse como una secuencia de espacios posibles que se suceden los unos a los otros, igual que los tic-tacs de un reloj universal. La coordenada temporal es arbitraria, igual que sucede en la relatividad general, pero el hecho de que la historia del mundo pueda ser vista como una sucesión de geometrías que se suceden las unas a las otras no lo es. Con esta restricción y unas sencillas reglas, ya se han conseguido pruebas de que el espacio-tiempo clásico emerge de un simple juego de construcción a partir de un mundo puramente cuántico fundamentado tan sólo en lo discreto y en la causalidad.



La gravedad cuántica supondrá la completa reformulación del espacio y del tiempo, y nos dará una nueva mirada sobre lo fundamental y lo accesorio en la propia esencia de las cosas.

12 comentarios:

Bosco dijo...

Vuelvo a apreciar que está muy bien puesto el nombre de "bella Teoría" Este último artículo es un perfecta joyita que me ha hecho disfrutar del extraño placer de creer estar comprendiendo algo nuevo. Ver las cosas que habíamos entendido de un modo muy maquinal, con los ojos de una agradable y armoniosa intuición!
Gracias

Aker dijo...

De verdad que se trata de un bello artículo (y muy esperado, creo también). Está expuesto todo con tanta claridad que hasta los ignorantes como yo pueden hacerse una idea. Aunque no sé si la idea será correcta.
Me gustan las proporciones, las simetrías, etc..., porque me permiten visualizar, entender de una sola vez, las ideas. Y esta teoría parece altamente simétrica (a Einstein le habría gustado). Lo más importante en mi opinión es el valor concedido a la causalidad. Hasta ahora, en Física, la causalidad era un problema más bien metafísico, ajeno a la realidad, que complicaba los procesos físicos como en el caso del viaje en el tiempo. Y que había que tener, no obstante, en cuenta si no se quería caer en las temidas paradojas. Lo más lógico es que la causalidad tenga algo más que hacer en el mundo físico y constituya un principio fundamental como el de la invariancia de la velocidad c (ambos principios marcan el desarrollo del tiempo a lo largo de un único eje causal).
Que el espacio sea discreto y no continuo es algo que todos esperamos: el espacio como un conjunto de sitios.
Si la gravedad cuántica logra explicar la gravedad desde ahí, será la teoría soñada.
Se salva el 'principio de localidad' de la teoría de Einstein, según creo. Pero mis conocimientos no me dan como para definir si se salva el 'principio de realidad' que no tiene nada que hacer en mecánica cuántica.
¿Cómo quedaría interpretado ahora el experimento de Aspect que viola el principio de localidad?
En tal experimento parece que no se salvaron ninguno de los dos principios, ni realidad ni localidad. ¿Se salvaría alguno en la teoría de la gravedad cuántica?
Es lo que me gustaría saber. Gracias si alguien me contestase.
Saludos,

Aker

Salvador dijo...

Gracias Bosco y Aker. Como se dice en el post la gravedad cuántica dista mucho, todavía, de ser una teoría completa. Se parte de unas bases mínimas para tratar de avanzar a partir de ahí. Sobre la no localidad creo que, a pesar de lo que creemos, no es una cuestión fundamental como no lo es el espacio-tiempo tal como se pensaba. El experimento de Aspect no deja lugar a duda. Sobre la realidad independiente del observador no creo que nos aporte, todavía, nada diferente de lo que sabemos.Un espacio-tiempo emergente a partir de una entidad puramente cuántica es todavía muy difícil de digerir. Personalmente, estoy estudiando algo diferente que me ha llevado a una relación entre la propia configuración del espacio y la naturaleza del cuanto. En próximos post iré explicandolo en base a los artículos que me han publicado sobre el tema. Estaré esperando vuestros comentarios.
Un saludo.

Aker dijo...

Lamento profundamente, Salvador, que mis conocimientos queden tan por debajo del interés que que estos temas demuestran. Querría poder comentarlos como merecen pero carezco de elementos de juicio. Esto hay. Al abordar el tema del post, me asalta el de la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen que no sé resolver. Si el experimento de Aspect es concluyente, entonces no entiendo nada. Si el espacio es no local y la información puede viajar más rápida que la luz, ¿cómo puede mantenerse el principio de causalidad que la gravedad cuántica propone?
Entiendo que en un espacio 'emergente' el principio de realidad no se conserve aparentemente: la continuidad del espacio sería una ilusión del observador que enmascararía una realidad más profunda, la de un espacio cuántico discontinuo.
¿Cabría hablar aquí de 'variables ocultas'?
¿O, bien, el espacio cuántico es de tal naturaleza que supera la problemática conocida?
Si es así, quedo esperando cualquier sugerencia.
Saludos

Aker

Salvador dijo...

En el caso del experimento de Aspect, existe una realidad formada por dos fotones entrelazados, no dos realidades formadas por los dos fotones, la clave está en el párrafo:
"Aspect, con su experimento confirmó la no localidad del universo al nivel de las partículas subatómicas. Estas parecen intercambiar información a velocidades superiores a la luz a través de conexiones “misteriosas”. Aunque, realmente lo que ocurre es que dos fotones emitidos al mismo tiempo ( en su experimento) deben considerarse como un único estado cuántico, como una realidad expresada por una única función de onda".
Por otra parte este y otros experimentos han descartado las variables ocultas.
Saludos.

Carlos el baterillero dijo...

Hola Buen día desde Perú

El leer su blog,me ha motivado a reller un librito de divulgación científica (digo librito por cariño) editado aquí en Perú: Las Supercuerdas. En uno de los capítulos, se recuerda un verso de Shelley:

"La belleza es verdad, la verdad es belleza, nada mas se necesita saber en esta tierra"

Digo lo anterior, por el comentario de bosco.

Por mas que intento, no puedo entender el concepto del espacio emergente no fundamental...

Saludos
Carlos el baterillero

Salvador dijo...

Con la teoría de la relatividad general se vió que el espacio no era el ente absoluto que se creía, depende de la energía-materia al igual que el tiempo. Esto ha llevado a pensar que es una entinad no fundamental y que puede emerger de otra realidad más fundamental puramente cuántica.

Javier dijo...

Salvador, lo que estas comentando es lo que se conoce cómo LQG. loop quantum gravity, o gravedad cuántica de lazos en español.

Dado que en tu anterior post hablabas del libro "the trouble with physics" asummo que has sacado de allí la información sobre este post. Aprovecho pués para comentarte ambos temas en esta respuesta.

Llevo siguiendo la LQG, a nivel técnico, no de divulgacion, desde el 2003, cuando se hizo populara en una hábil maniobra publicitria de algunos de su máximos represetantes. Fué un producto muy bien vendido, sobre todo mediante un paper de review de Robert Thieman. Te presentan la idea general, explicando cómo el programa de cuantización canónica lleva a que el operador área esta cuantizado. Luego hay argumentaciones de que, mediante algo conocido cómo "double special relativity", que extiende el formalismo de la relatividad especial al caso de una longitud privilegiada (la de Planck) se llega a que la velocidad de la luz en el vacio depende de la frecuencia, para luego señalar que los satelites GLAST podrian llegar a comprobar eso en un lapso de tiempo breve (su lanzamiento estaba previsto para el 2005).

De ahí pasan a argumentar que deducen la entropia de un agujero negro, reproduciendo la fórmula conocida mediante la aproximación semiclásica de que depende de una potencia del área. No entran en los detalles, que dependen de una construccion de relatividad general poco conocida llamada "isolated horizonts" (y también de el concepto relacionado de "dynamic horizonts". Cómo casi nadie esta familiarizado con eso conceptos consiguen que en una primera lectura uno no caiga en que en el cálculo se esta asumiendo, como punto de partida, que la entroia depende del área. Además la teoria de la LQG tiene un parámetro libre, concido cómo parámetro de inmirizzi. Ajustando ese valor se consigue que la fórmula obtenida se ajuste. Total, que el único punto medianamente serio del cálculo es que el área esta cuantizada qu ehay que dividir el área total entre la unidad mínima de área para encontrar el número posible de microestados.

Luego pasan a cosmologia. Anuncian qu econsiguen demostrar el "rebote", es decir que no puede haber un big crunch pués usando factores cuánticos se comprueba que el colapso se detiene en un radio mínimo y luego hay un nuevo big bang. Claaro, eso no se hace dentro de la teoria completa sino restringiéndose a "minisuperespacios", es decir, subgrupos de las métricas posibles. Vale, se admite que es una aproximación, el problema es que no dan ningún criterio que permita hacerse una idea de cuan buena o mala es esa aproximación.

Por cierto, la LQG canónica, basada directamente en la gravedad clásica de Einstein y luego cuantizada de un modo raro, presuntamente no perturbativo, es estática. Para tener un espaciotiempo dinámico tiene que irse a un formalismo lagrangiano (las spinfoams). El caso es que las spin-foams no parten de la relatividad de Einstein sino de unas teorias clásicas que con ciertas restricciones, son más o menos clasicamente equivalentes a la relatividad de Einstein. Además hay varias de ess teorias clásicas y cada una lleva a una teoría cuántica esencialmente diferente.

Y bueo esas dos son las líneas fundamentales, pero aparte hay otras que asumen de partida que el espaciotiempo es discreto, lo cuál es mucho suponer. Y no quda muy claro la relación entre ellas.

Mas importante es que esas teorias cuánticas deberían tener un limite clásico que reprodujera la gravedad clásica de Einstein. Pué sbien, no han conseguido eso de una manera medianamente clara (lo mejor que tiene es obtener, mediante una serie de aproximaciones de dudosa justificación) reproducir, en el marco de algunas spinfoams algo que debería ser similar al potencial de Newton.

Vamos, que no digo yo que la LQG sea un sinsentido, pero desde luego tiene muchos problemas bastante serios.

Respecto a su mejor punto, la posibilidad de confirmación de la dispersión de la luz en el vacio, al final los satélites GLAST han tardado muchísimo en lanzarse, (deben estar a punto de salir ahí fuera por estas fechas). Un experimento en tierra hace unos meses dió un resultado preliminar en esa línea, pero no es conluyente (y hay ciertas teorias de cuerdas, bastante raras todo sea dicho, las cuerdas de liouville, que predicen algo similaar. De hehco fué un fisico de cuerdas quien hizo populñaar ese experimento).

Y, por si no esta claro, la teoria de cuerdas también es una gravedad cuántica, así que no se puede presentar esto cómo si fuera le más de lo más en gravedad cuántica y dejar de lado la teoría de cuerdas.

En fín, no me parece mal que comentes sobre la LQG, pero cuidado, que no es oro todo lo que reluce con es gente.

Jose Maria Aristimuño dijo...

la gravedad cuantica, como tal llevado a un plano mas alla del espacio tiempo, podria explicarse como " el fin ultimo", denominado por este servidor " gravedad genetica", es decir ese movimiento impredecible en campos sin masa , donde la informaciòn se transmite como energía, es decir el eter exist een form avirtual pues es un campo donde se mueven todos estos factores, en ese horizonte de sucesos es cuando los genes no mutan sino copulan. Jose Maria Aristimuño P

S.C.Suárez dijo...

Pues a mi la gravedad cuántica me parece algo muy demostrable, pero la verdad es que se debería de ver de una manera más dimensional, en la última imagen se pueda apreciar una deformación de una capa espacio-tiempo por el peso de un cuerpo, y en relación otro cuerpo atrapado en la deformación del primer cuerpo, pero hay un error que se puede apreciar así a simple vista el 2º cuerpo también debería provocar deformación en la capa.
Pero no es el único error, ya que esa imagen debería de haberse expresado toda ella en 4 dimensiones: Longitud, Superficie, Espacio y Tiempo.
En esta ilustración se mezclan todas ellas:
- El primer cuerpo esta en 3 dimensiones.
- El segundo cuerpo en 4 dimensiones la última (tiempo incompleta, pero seria difícil hacer un dibujo de ella...)
-La capa espacio-tiempo, que curiosamente lleva el nombre de la 3ª y 4ª dimensiones carece de la representación de las 2 capas (4ª y 3ª).
Ahora mismo no dispongo de la representación de las 5 dimensiones que hasta ahora les he encontrado sentido. Pero cuando pueda paso una imagen por aquí.

Anónimo dijo...

Según Kip Thorne como Stephen Hawking están de acuerdos en un punto, que la Gravedad cuántica es la que hace imposibles los viajes en el tiempo al pasado o por el contrario lo harían posibles, y si así fuera habría que echar mano de la IMM (Interpretación de Múltiples Mundos). No especularé si el tiempo existe realmente o no , así que lo tomaré como en la física el Espacio-Tiempo integrados en lo que se denomina la cuarta dimensión que se diferencia de las tres dimensiones espaciales que conocemos. Dentro de dos décadas se espera por fin resolver las leyes de la Gravedad cuántica, así como la existencia o no de la materia negativa y la existencia de las CTC's (Curvas temporales cerradas) fuera de la especulación matemática de las soluciones de Campo de Einstein. Saludos

Abuelo Número "e" dijo...

Cáncer y Bolsa: de Fractales a Atractores:

Por Carlos Torres Miranda

NOTAS:

a) FRACTALES: se basan en ecuaciones matemáticas complejas (imaginarias o

analíticas).

Se representan ecuaciones con números complejos.

Ejemplo: el fractal de Mandelbrut (en la naturaleza).

b) ATRACTORES: se basan en patrones que se generan al repetir un mismo

experimento matemático o físico-químico infinitas veces,

Se representan sistemas de ecuaciones diferenciales
.
Ejemplo: el atractor de Lorenz (usado para controlar

fenómenos atmosféricos).

c) CONSTANTES: son claves para el entrelazamiento de a) y b), igualándolas.


PROCESOS:

1.- CÁNCER (y enfermedades que se extienden por el organismo, ébola inc.):

Creo firmemente que para los Cánceres, en los Fractales y los Atractores

(comocontraesencia a los Fractales), se encuentra la llave de un método para la

sanación, por métodos puramente MATEMÁTICOS, y no bioquímicos, del Cáncer,

con la inestimable ayuda subordinada de otras disciplinas.

El Cáncer como proceso caótico desarrollado como un fractal se ordenaría y

confinaría en su/s Atractor/es Asociado/s correspondiente/s.

Es decir, analizando el Fractal, se hallaría su Atractor Asociado (ó recíprocamente),

se confinaría el Cáncer en él, y sería lo que se examinara exhaustivamente para

curar los Cánceres, así como otras enfermedades. Esto convertiría el Cáncer en una

entelequia (o recuerdo).
2. BOLSA:
Intercambiando “CÁNCER” por “BOLSA”, tal vez se podría controlar asimismo el

Mercado, es decir, las Cotizaciones de los Valores de los Mercados Bursátiles de la

Bolsa.

Como volvemos a tratar con teorías como las del Orden y el Caos,

en Ambientes de Incertidumbre ó de Certidumbre con Riesgo Fijado en el caso del

Mercado, se haría nuevamente considerando éste como un Fractal que generaría

Resultados económicos (Beneficios ó Pérdidas).

La Economía mundial podría ir mejor con éstos patrones: Fractales que se

mejorarían posteriormente con Atractores, maximizando ó minimizando a

conveniencia los Resultados, económicos ú otros, en aras ó con la Utilidad, de

funcionar mejor todo.


ANEXO

Ya se habla de que las tres teorías más punteras de la física actualmente pueden ser:

Relativista o de lo grande (Lorentz, Einstein …)

Cuántica o de lo pequeño (Heisenberg, Bohr…)

Orden y Caos o de lo caótico (fractal de Mandelbrut, atractor de Lorenz …)


Por CARLOS TORRES MIRANDA