¿Qué es el espacio-tiempo? El verdadero origen del tejido de la realidad
Supongamos que quieres tomar un café con un amigo. Tienes que decirles adónde vas (tu ubicación en el espacio), pero también debes hacerles saber cuándo ir. Ambas informaciones son necesarias porque vivimos en un continuo de cuatro dimensiones: tres dimensiones del espacio y todo lo que hay en él, desde máquinas de café humeantes hasta estrellas en explosión en galaxias distantes, todo sucediendo en momentos diferentes en una dimensión de tiempo.
El "espacio-tiempo" es simplemente el universo físico en el que existimos nosotros y todo lo demás. Sin embargo, incluso después de vivir en él durante miles de años, todavía no sabemos qué son realmente el espacio y el tiempo. Los físicos llevan más de un siglo lidiando con este problema. En los últimos años, muchos científicos han estado tratando de descubrir cuáles podrían ser los hilos que tejen el tejido de la realidad. Tenemos ideas, cada una con sus pros y sus contras.
Una idea es que el espacio-tiempo surgió de una extraña propiedad del mundo cuántico, que significa que las partículas y los campos, los componentes fundamentales de la naturaleza, no existen incluso cuando están en extremos opuestos del universo. Se pueden conectar entre sí. Si esto es correcto, es posible que finalmente hayamos encontrado un puente entre dos tótems irreconciliables de la física, colocándonos en el umbral de una teoría cuántica de la gravedad. También obtendremos la prueba más impactante hasta el momento de que el mundo que vemos no es el mundo real: como dijo Albert Einstein, siempre hay "algo profundamente oculto" y la única manera de comprender la naturaleza fundamental de la realidad es enfrentar la realidad cuántica. mecánica de frente.
El espacio-tiempo es un concepto relativamente nuevo. Isaac Newton no lo necesitaba. Para él, el espacio y el tiempo son reales y absolutos. Sólo cuando Einstein propuso su teoría especial de la relatividad en 1905, ambas comenzaron a unirse. Señala que diferentes observadores a menudo dividen el espacio-tiempo en "espacio" y "tiempo" de maneras diferentes e incompatibles; lo que es "espacio" y "tiempo" depende de cómo se mueve el observador.
Anteriormente, varios pensadores habían especulado que ambos deberían combinarse. Por ejemplo, en el poema en prosa "Eureka" de Edgar Allan Poe de 1848, escribió: "El espacio y la duración son uno". Pero no fue hasta 1908 que las matemáticas fue necesaria para que el científico Hermann Minkowski los unificara de manera científica. Declaró dramáticamente: "A partir de ahora, el espacio mismo y el tiempo mismo se convertirán completamente en sombras, y sólo una combinación de los dos puede permanecer independiente".
"¿Cómo pueden existir el tiempo y el espacio en este mundo? ¿En la superposición de varias posibilidades?"
Einstein permaneció impasible, quejándose de que se trataba de "conocimientos superfluos". Pero finalmente cambió de opinión y colocó firmemente la geometría del espacio-tiempo en el centro de su teoría general de la relatividad. Dice que el espacio y el tiempo son más que un simple telón de fondo estático contra el cual suceden las cosas. Es una entidad dinámica, que se deforma y se estira bajo la influencia de la masa y la energía. La curvatura del espacio-tiempo nos parece gravedad.
Aun así, parece extraño preguntarse de qué "está hecho" el espacio-tiempo en la física clásica. En la relatividad general, el espacio-tiempo cambia con el tiempo en respuesta a otra materia. Pero no deja de ser un telón de fondo, una parte fundamental de la naturaleza. No está hecho de nada.
El problema con esta visión comenzó con el descubrimiento de la mecánica cuántica, las reglas que gobiernan el comportamiento de las partículas y campos subatómicos. Los científicos aún no han podido construir una teoría de la gravedad en la mecánica cuántica, como lo han hecho con las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza. Parte del problema es técnico: cuando intentamos convertir la relatividad general clásica en una teoría de la mecánica cuántica utilizando técnicas estándar, nuestras ecuaciones explotan y obtenemos respuestas que no tienen sentido. Pero parte de esto es conceptual.
La mecánica cuántica nos dice que los sistemas existen en una superposición de diferentes cantidades mensurables, como la posición y la velocidad.
No existe la "posición" de una partícula cuántica; hay muchas posiciones posibles, que sólo tienen un valor definido cuando las observamos. ¿Cómo es posible en este mundo que el espacio y el tiempo existan en una superposición de posibilidades diferentes? Esto hace imposible decir con certeza que un evento ocurrió en un lugar definido en el espacio y el tiempo.
Físicos de diferentes religiones han adoptado diferentes enfoques para construir soluciones en forma de teoría de la gravedad cuántica. La más popular es la teoría de cuerdas, que reemplaza las partículas con bucles y segmentos de cuerdas vibrantes. La teoría de cuerdas logra producir una versión cuántica de la gravedad, pero no se conecta con nuestro mundo de una manera obvia. Tampoco aborda estas cuestiones conceptuales básicas. El principal rival de la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles, es un intento de cuantificar directamente la relatividad general.
Esto ha llevado a algunos físicos a dar un paso atrás y plantearse la pregunta de otra manera. La forma estándar de desarrollar una descripción cuántica de algún fenómeno, como un campo electromagnético o una colección de átomos, es comenzar con una descripción clásica y luego "cuantificarla". Este enfoque falla una y otra vez cuando se trata de la gravedad y el espacio-tiempo. La naturaleza tampoco funciona así. El mundo real no comienza de manera clásica y luego se cuantifica de alguna manera. Fue cuántico desde el principio, y el mundo clásico emergió como una aproximación.
Así que tal vez no deberíamos intentar cuantificar la gravedad en absoluto. Quizás deberíamos formular una teoría cuántica desde el principio y luego mostrar cómo surge de ella el espacio-tiempo clásico. Es un nuevo enfoque que tiene consecuencias dramáticas sobre cómo pensamos sobre de qué están hechos el espacio y el tiempo.
Para avanzar en esta dirección, es útil comenzar con nuestra mejor teoría física actual: la teoría cuántica de campos. Según esta teoría, los componentes fundamentales del mundo son los campos, como los campos eléctricos y magnéticos. Incluso partículas como los electrones y los quarks son sólo vibraciones en un campo magnético que se extiende por el espacio.
Tradicionalmente, podemos determinar el valor de un campo de forma aproximada dividiendo el espacio en regiones diminutas. Una vez que actualizamos a la teoría cuántica de campos, aparece una característica adicional en el juego: los valores de campo en diferentes regiones pueden entrelazarse entre sí. Debido a las incertidumbres cuánticas, no sabemos la respuesta exacta que obtendremos si medimos un campo en un lugar determinado, pero el entrelazamiento significa que la respuesta que obtengamos en un punto afectará nuestras mediciones en cualquier otro punto.
Quizás cuantificar la gravedad sea un error, y el espacio-tiempo siempre ha estado al acecho en la mecánica cuántica.
En el estado de vacío de la teoría cuántica de campos ordinaria (sin partículas volando), el entrelazamiento entre campos en diferentes regiones está directamente relacionado con la distancia entre ellos y, por tanto, con la geometría del espacio-tiempo. El grado de entrelazamiento entre regiones cercanas es alto, mientras que el grado de entrelazamiento entre regiones más lejanas es pequeño.
Esto muestra una forma interesante de revertir nuestra forma normal de pensar para encontrar el espacio-tiempo en la teoría cuántica. Imaginemos partir de un estado cuántico sin concepto preexistente de espacio y tiempo. Ahora podemos intentar trabajar a la inversa, extrayendo el espacio-tiempo del entrelazamiento.
Si en física ordinaria el grado de entrelazamiento entre dos regiones disminuye a medida que la distancia entre las dos regiones aumenta cada vez más, entonces imaginemos que la distancia se define como El grado de entrelazamiento está relacionado con la distancia . En este caso, el estado cuántico proporciona automáticamente la "distancia" entre dos partes cualesquiera del mismo, definiendo así la geometría de este espacio emergente.
Hasta ahora todo bien. Pero un estado cuántico existe en todo momento, por lo que, en el mejor de los casos, sólo puede definir la geometría del espacio en ese momento. Queremos ampliarlo a cuatro dimensiones del espacio-tiempo.
Afortunadamente, aquí podemos tomar prestado un truco de Ted Jacobson, un físico de la Universidad de Maryland, quien demostró en 1995 cómo podemos derivar las ecuaciones de la relatividad general de Einstein a partir de supuestos simples de relaciones geométricas. .
La entropía, una medida del desorden, está directamente relacionada con el entrelazamiento: cuanto más entrelazada está una región con el resto del mundo, más entropía contiene. Einstein dijo que agrega materia o energía a un área, lo que hace que el espacio-tiempo se curve.
Jakobson demostró que aumentar el entrelazamiento de una región puede tener el mismo efecto, si insistimos en que la cantidad de entropía debe ser proporcional al área que rodea la región. Esto es ciertamente cierto en el espacio vacío, pero Jacobson propone que sigue siendo cierto incluso si el espacio no está vacío. Puedes intentar agregar más entrelazamiento, pero el espacio-tiempo se curvará para compensar, por lo que la entropía siempre es proporcional al área.
Entonces Einstein dijo que la energía causa la curvatura, y Jacobson dijo que el entrelazamiento causa la curvatura. Pero Jacobson también piensa que es lo mismo: cada vez que agregas entrelazamiento, inevitablemente sigue la energía. A partir de esta lógica, pudo deducir que la curvatura del espacio-tiempo en su método sigue la misma ecuación que Einstein escribió por primera vez en la teoría de la relatividad general. Al parecer, la gravedad puede surgir del entrelazamiento y no directamente de la masa y la energía. Este notable resultado fue el comienzo de lo que ahora se llama gravedad "termodinámica" o "entrópica".
La naturaleza de la realidad
Pero no nos lleva a donde necesitamos ir. Al derivar una imagen alternativa del origen de la gravedad, Jacobson asumió un espacio-tiempo clásico e imaginó campos cuánticos existentes en su interior. Idealmente, nos gustaría mantener todo lo cuántico desde el principio y deducir la existencia del espacio-tiempo mismo. Esto es lo que Sean Carroll intentó recientemente con sus colaboradores. No comenzamos con campos cuánticos vibrantes que viven en el espacio-tiempo, sino con "grados de libertad" cuánticos completamente abstractos.
Estas son simplemente cantidades que pueden tener valores diferentes, independientemente de otras cantidades. En la mecánica newtoniana, los grados de libertad son las posiciones y velocidades de las partículas; en la teoría de campos, son los valores y tasas de cambio de los campos. En nuestro enfoque, los grados de libertad no tienen ninguna interpretación física directa. Son los materiales básicos de la realidad, la esencia a partir de la cual se crea todo lo demás: una "naturaleza cuántica" que preexiste en todo. Lo más importante es que estos grados cuánticos de libertad están entrelazados entre sí.
Con esto en mente, le dimos la vuelta a la idea de Jacobson. Ahora podemos definir el área alrededor de una región como el entrelazamiento de sus grados de libertad con el mundo exterior. Efectivamente, la geometría correspondiente se ajustaba a las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. En otras palabras, la gravedad puede surgir directamente de la naturaleza cuántica de la realidad sin necesidad de cuantificar nada supuestamente clásico.
Esto puede parecer una conclusión, pero es más bien un comienzo esperanzador. Nuestra derivación incorpora una serie de supuestos, y queda por ver si estos supuestos son ciertos en la naturaleza. La conclusión es que las ecuaciones de Einstein que derivamos del entrelazamiento sólo funcionan si la gravedad es débil y el espacio-tiempo es casi plano. Una vez que la gravedad se vuelve fuerte y el espacio-tiempo se curva, como en el Big Bang o cerca de un agujero negro, se vuelven importantes fenómenos fundamentalmente nuevos.
El más sorprendente de ellos es el "principio holográfico", que describe cómo se puede pensar que los grados de libertad de un agujero negro viven en su borde, el horizonte de sucesos, en lugar de en su interior. Juan Maldacena, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, utilizó principios holográficos para mostrar la equivalencia entre dos teorías muy diferentes: la teoría cuántica de campos sin gravedad en cuatro dimensiones del espacio-tiempo y la gravedad negativa en cinco dimensiones de la energía del vacío.
El trabajo posterior de Mark van Raamsdonk y otros en la Universidad de Columbia Británica en Canadá demostró que la geometría del espacio-tiempo en el lado de la gravedad cuántica de esta correspondencia es consistente con la teoría de campos y el entrelazamiento cuántico en ambos lados está directamente relacionado. . Cuando reducimos el entrelazamiento en la teoría de campos, el espacio-tiempo se separa en términos de gravedad cuántica.
Maldacena y Leonard Susskind de la Universidad de Stanford en California llevaron esta conexión al extremo y propusieron una idea audaz que llamaron "ER= EPR". ER significa Albert Einstein y Nathan Rosen, quienes escribieron un artículo en 1935 proponiendo la existencia de agujeros de gusano o atajos en el tiempo. Mientras tanto, EPR representa a Einstein, Boris Podolsky y Rosen, quienes colaboraron en otro artículo que destaca el papel del entrelazamiento en la teoría cuántica.
Por lo tanto, la conjetura ER=EPR supone que siempre que hay dos partículas entrelazadas, hay un pequeño agujero de gusano que las conecta.
No lo tomes demasiado literalmente. Se dice que los agujeros de gusano que conectan pares de partículas son microscópicamente pequeños e imposibles de atravesar. Sólo cuando hay grandes cantidades de entrelazamiento comenzamos a ver distorsiones macroscópicas en la estructura del espacio.
Además, nuestro universo tiene energía de vacío positiva, no energía de vacío negativa, por lo que las implicaciones de la equivalencia revelada en el experimento mental de energía de vacío negativa de Maldacena no se traducen directamente en el mundo real. Posibles estrategias para lidiar con la gravedad cuántica en . Sin embargo, sirven como otro fuerte indicio de que el entrelazamiento cuántico está en el centro de todo.
"Sólo con un entrelazamiento masivo podremos ver distorsiones a gran escala en el tejido del espacio"
Por ahora, todas estas ideas oscilan entre la especulación esperanzadora y el optimismo entre sueños. No sabemos cuál es la mejor manera de pensar acerca de estos hipotéticos grados de libertad fundamentales que se entrelazan para formar el espacio-tiempo, ni sabemos cómo interactúan de manera detallada. Aún no podemos deducir la aparición de campos cuánticos que viven en el espacio-tiempo siguiendo las reglas de la relatividad. Ciertamente aún no podemos responder preguntas importantes, como por qué el espacio tiene tan poca energía.
Aun así, imaginar el espacio-tiempo emergiendo del entrelazamiento cuántico es una forma prometedora de pensar sobre la naturaleza fundamental de la realidad. Quizás comenzar con la relatividad general y tratar de cuantificarla fue un error; quizás el espacio-tiempo estuvo al acecho en la mecánica cuántica desde el principio.
Tiempo entrelazado
En la búsqueda de lo que hay detrás del telón de fondo de la realidad que llamamos espaciotiempo, hemos comenzado a comprender cómo partes del espacio emergen del entrelazamiento cuántico. El tiempo es otro asunto. Pero hay una manera de derivar una cuarta dimensión del mismo fenómeno.
Ya en 1983, Don Page, que ahora trabaja en la Universidad de Alberta, Canadá, y William Wootters (William Wootters) en el Williams College de Massachusetts propusieron esta sugerencia. En mecánica cuántica, si un sistema puede estar en una variedad de estados diferentes, podemos sumar estos estados en cualquier combinación para crear un nuevo estado, una superposición de los estados originales. Por ejemplo, un electrón puede girar en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, pero también puede ser una superposición de ambos.
Teniendo esto en cuenta, consideremos un sistema cuántico formado por dos subsistemas: uno es el reloj y el otro es todo lo demás. Deja que el sistema en su conjunto evolucione en el tiempo para que el reloj marque de forma diferente en cada momento. Ahora tomemos una serie de esos momentos, digamos uno por segundo, y sumen todos los estados cuánticos específicos en todos los momentos.
Esto proporcionará un nuevo superestado, que es la superposición de un solo estado con una configuración específica de lecturas de reloj específicas y todo lo demás. No evoluciona con el tiempo. Pero como se trata de un sistema cuántico, el reloj está entrelazado con el resto del mundo. Si medimos el reloj para ver qué marca, el resto del sistema entrará inmediatamente en cualquier estado cuántico que tuviera el sistema original en el momento correspondiente.
De esta manera, el tiempo aparece incluso en estados cuánticos inmutables. La clave es el entrelazamiento, y todo lo que necesitamos es un subsistema de reloj entrelazado con el resto del universo de la manera correcta. El tiempo es lo que marca tu reloj.