Gravedad cuántica, continuando la revolución de Einstein

Kip S Thorne

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.

Núcleo activo de una galaxia

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.

Gravedad, curvatura del espacio-tiempo

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.

Reedición de un post clásico. Felices vacaciones amigos.

Los tres primeros minutos del universo

Este es el título de un clásico de la divulgación científica. El Premio Nobel de Física de 1979 y profesor de la Universidad de Harvard Steven Weinberg nos explica en unos cuantos "fotogramas" la evolución de los tres primeros minutos del universo, previa introducción sobre la expansión del universo y sobre el fondo de radiación. Sus conocimientos sobre el microcosmos, sobre las partículas más pequeñas que forman la materia, nos abren las puertas a un espectáculo grandioso y único. Admite que no se puede empezar la "película" en el tiempo cero y con temperatura infinita, pero las cosas parecen bastante claras ya en el:


Primer fotograma: Cuando apenas ha transcurrido una centésima de segundo y la temperatura se ha enfriado hasta unos cien mil millones de grados Kelvin o absolutos ( el cero está sobre los -273 ºC), el universo está lleno de una sopa indiferenciada de materia y radiación, en estado de casi perfecto equilibrio térmico. Las partículas que más abundan son el electrón y su antipartícula, el positrón, fotones, neutrinos y antineutrinos. El universo es tan denso que incluso los huidizos neutrinos, que apenas interactúan con la materia, se mantienen en equilibrio térmico con el resto de la materia y radiación debido a sus rápidas colisiones. La densidad de la masa-energía en ese momento es del orden de 3,8 mil millones de veces la densidad del agua en condiciones terrestres normales. El tiempo característico de expansión del universo es de 0,02 segundos y el número de partículas nucleares (protones y neutrones) es del orden de un nucleón por 1000 millones de fotones, electrones o neutrinos. Las reacciones más importantes son: (a)Un antineutrino más un protón dan un positrón más un neutrón y viceversa.(b) Un neutrino más un neutrón dan un electrón más un protón y a la inversa.

Segundo fotograma: La temperatura ahora es de 30.000 millones de grados Kelvin y desde el primer fotograma han pasado 0,11 segundos. Nada ha cambiado cualitativamente, aunque la densidad de la energía ha disminuido con la cuarta potencia de la temperatura y el ritmo de expansión ha disminuido con su cuadrado. El tiempo característico de expansión es ahora de 0,2 segundos y las partículas nucleares todavía no se hallan ligadas a núcleos, aunque con la caída de la temperatura es ahora más fácil que los neutrones, más pesados, se conviertan en protones que al revés. Su balance es del 38% de neutrones por el 62% de protones.







Tercer fotograma: La temperatura del universo es de 10.000 millones de grados Kelvin. desde el primer fotograma han pasado 1,09 segundos y la densidad y la temperatura han aumentado el tiempo libre medio de los neutrinos y antineutrinos que empiezan a desacoplarse de la radiación, electrones y positrones y a comportarse como partículas libres. La densidad total de la energía es menor que en el fotograma anterior en la cuarta potencia de la razón de las temperaturas, por lo que viene a ser unas 380.000 veces mayor que la del agua. El tiempo característico de expansión es ahora de unos 2 segundos y los positrones y electrones comienzan a aniquilarse con mayor rapidez de la que pueden ser recreados a partir de la radiación. Todavía no se pueden formar núcleos estables, y la proporción neutrón-protón es ahora 24-76 %.

Cuarto fotograma: La temperatura es ahora de 3.000 millones de grados Kelvin, han pasado 13,82 segundos del primer fotograma y los electrones y positrones empiezan a desaparecer como componentes destacados del universo. El universo está lo bastante frío para que se formen diversos núcleos estables, como el helio común formado por dos protones y dos neutrones (He⁴). Los neutrones aún se convierten en protones, aunque más lentamente. La proporción de nucleones es ahora del 17% de nuetrones y del 83% de protones.

Quinto fotograma: La temperatura es de 1.000 millones de grados, sólo 70 veces más caliente que el Sol.Desde la primera imagen han pasado tres minutos y dos segundos. Los electrones y positrones han desaparecido, en su mayor parte, y los principales componentes del universo son ahora fotones, neutrinos y antineutrinos. Ahora el universo está lo suficientemente frío para que se mantengan unidos los núcleos del tritio y helio tres, así como los del helio ordinario, pero no se pueden formar, todavía, cantidades apreciables de núcleos más pesados. El balance neutrón-protón es ahora del 14-86 %.


 Un poco más tarde: A los tres minutos y cuarenta y seis segundos del primer fotograma, la temperatura es de 900 millones de grados Kelvin y comienza la nucleosíntesis, la proporción en peso de helio es ya el doble de la proporción de neutrones entre las partículas nucleares, es decir del orden del 26%. A los 34 minutos y cuarenta segundos del primer fotograma (300 millones de grados) los procesos nucleares se han detenido y las partículas nucleares están ahora en su mayoría ligadas a núcleos de helio o son protones libres. hay un electrón por cada protón libre o ligado, pero la temperatura es todavía alta para que formen átomos estables.

Durante 700.000 años más el universo seguirá expandiendose y enfriándose, pero no ocurrirá nada de interés.Después podrán formarse núcleos y átomos estables y la falta de electrones libres hará que el contenido del universo sea transparente a la radiación. El desacoplamento de la materia y la radiación permitirá a la materia comenzar a crear galaxias y estrellas."Después de otros 10.000 millones de años, aproximadamente, los seres vivos comenzarán a reconstruir esta historia".

El primer fotograma podría resumirse como:" Al principio fue la luz". La radiación (luz) y la materia en equilibrio térmico y estado indiferenciado. Es la impresión más fuerte que guardo de cuando leí el libro la primera vez.

Libro:"Los tres primeros minutos del universo". Steven Weinberg. Madrid 1980. Alianza Universidad. 

Nota: La segunda figura es el mapa de las anisotropías del fondo de radiación cósmica.

Reedición de uno de mis post clásicos. ¡Feliz verano amigos!