Uno de los deseos más fundamentales de la humanidad es comprender cómo funciona la realidad que rodea a los Estados Unidos. Durante mucho tiempo, estábamos haciendo un buen progreso. La cosmovisión de la física clásica en el siglo XIX todavía period clara y comprensible. El universo se parecía a una máquina finamente ajustada, gobernada por leyes elegantes que podrían describirse utilizando matemáticas relativamente simples. Solo unos pocos fenómenos se destacaron como excepciones, anomalías que la física clásica no pudo explicar.
Según una anécdota a menudo contundente, cuando Max Planck decidió seguir una carrera en física, un mentor le aconsejó en su contra, alegando que casi todo lo que valía la pena descubrir ya se había encontrado. Irónicamente, fue el propio Planck quien ayudó a desencadenar la avalancha que finalmente derribó la hermosa catedral de la física clásica, reemplazándolo por algo extraño y moderno, ni elegante ni easy.
En este artículo, su objetivo es proporcionar una breve descripción de cómo la física moderna ve el mundo de hoy.
Según nuestra comprensión científica precise, el universo es una vasta esfera que se expande continuamente compuesta de tiempo espacial. Y aquí, “Spacetime” no es solo un concepto abstracto, sino una entidad física actual. Es algo comparable a la thought del éter del siglo XIX, algo que llena todo, incluso las regiones que parecen estar vacías. De hecho, el propio Einstein una vez se refirió a la hora del espacio como un “éter gravitacional” en uno de sus escritos. Para evitar malentendidos, tal vez hubiera sido mejor mantener ese término. En ese caso, podríamos decir que el universo es una gran esfera de éter en constante expansión. Pero ahora que hemos aclarado eso, nos quedaremos con el término oficial: SpaceTime.
El espacio -tiempo tiene una relación íntima con la materia: la materia afecta el espacio -tiempo y el espacio -tiempo afecta la materia. Específicamente, la materia hace que el espacio -tiempo se curva a su alrededor, y en el espacio -tiempo curvo, la materia se mueve como si alguna fuerza invisible se estuviera tirando. Esto es lo que percibimos como gravedad. Otra consecuencia de la curvatura del espacio -tiempo es que los procesos físicos se ralentizan en la vecindad de los objetos masivos. Las partículas elementales permanecen estables por más tiempo, las reacciones físicas y químicas se ralentizan, e incluso las personas envejecen más lentamente. En este sentido, el tiempo mismo se ralentiza cerca de grandes masas.
Dada esta estrecha relación entre la materia y el espacio -tiempo, es tentador imaginar la materia como simplemente otra manifestación del espacio -tiempo, como si la materia estuviera hecha de pequeñas burbujas o condensaciones dentro del tejido espacial. Esta perspectiva puede ayudar a explicar por qué parecemos “atrapados” en nuestro espacio -tiempo y, por lo tanto, dentro de nuestro universo. Una “condensación en tiempo espacial”, por su propia naturaleza, no puede existir fuera del espacio -tiempo. Preguntas como “¿Qué hay fuera del universo?” o “¿Qué pasó antes de que comenzara el universo?” Por lo tanto, no tienen sentido desde este punto de vista.
Dicho esto, ha habido intentos de construir modelos teóricos en los que la materia se interpreta como tales distorsiones o concentraciones de tiempo espacial, pero hasta ahora, no ha surgido una teoría completamente funcional. Parte de la dificultad radica en la interferencia de la mecánica cuántica. La imagen descrita anteriormente es lo que nos muestra la teoría de la relatividad sobre el universo. Describe bastante bien la gravedad y el espacio -tiempo, pero cuando se trata de la materia, especialmente a las escamas más pequeñas, sus explicaciones se quedan cortas.
Ahora echemos un vistazo a lo que la otra gran teoría, la mecánica cuantil, puede decir sobre el mundo. Si bien no tiene mucho que decir sobre el espacio -tiempo o la gravedad, describe el comportamiento de la materia con una precisión asombrosa, hasta sus bloques de construcción más pequeños: partículas elementales.
La mayoría de nosotros aprendimos en la escuela que la unidad de materia más pequeña que aún conserva las propiedades de un elemento químico es el átomo. Los átomos consisten en un núcleo rodeado por una nube de electrones. El núcleo en sí está compuesto por protones y neutrones, que a su vez están compuestos de quarks. Según el conocimiento precise, los quarks y los electrones son partículas elementales, lo que significa que no están formados por nada más pequeño. Pero, ¿qué es exactamente una partícula elemental?
Actualmente conocemos cuatro interacciones fundamentales que pueden actuar entre partículas: gravedad, electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerte fuerza nuclear. Cualquier información que obtengamos sobre una partícula llega a través de una de estas cuatro interacciones, cada una mediada por su propio tipo de campo.
Think about un electrón junto con los campos que lo rodean. Ahora, imagina que estos campos debían desaparecer de repente. ¿Qué pasaría con el electrón? Como ya no podíamos detectarlo de ninguna manera, efectivamente dejaría de existir. De hecho, ya hay partículas en la naturaleza que son casi indetectables: neutrinos, que interactúan solo a través de la fuerza débil. Miles de millones de ellos pasan por la tierra, y a través de nuestros cuerpos, cada segundo sin que notemos nada. Incluso si colocamos una pared de plomo un año de luz de espesor en su camino, aproximadamente la mitad de ellos aún pasaría intacta. Detectarlos requiere detectores masivos de neutrinos, donde los destellos de luz extremadamente raros y débiles de la luz señalan una interacción de neutrinos. Estas partículas, en cierto sentido, “apenas existen”. Si ni siquiera participaran en la interacción débil, dejarían de existir por completo, a todos los efectos prácticos.
Ahora think about lo contrario: eliminamos la partícula pero dejamos sus campos intactos. ¿Cambiaría algo? Dado que todas nuestras mediciones se basan en interacciones, aún parece que la partícula estaba allí. Si usáramos estos campos para construir átomos, y a partir de esos, objetos macroscópicos como una roca, esa roca se comportaría como uno actual. Podríamos verlo, tocarlo y medirlo. Desde este punto de vista, las partículas puntuales pueden no ser necesarias en absoluto. También podríamos considerar las partículas como regiones del espacio con propiedades especiales.
Esta thought se formaliza en lo que actualmente es la teoría más exitosa de la física: la teoría de campo cuántico (QFT). Según QFT, cada tipo de partícula elemental se asocia con un campo cuántico correspondiente: un campo de electrones, un campo de fotones, and so forth. Lo que pensamos como “partículas” son realmente solo excitaciones en estos campos, y las interacciones entre las partículas surgen de la forma en que estos campos se influyen entre sí.
Para visualizar esto, think about un campo como la superficie de un cuerpo de agua y las partículas como ondas o ondas en esa superficie. Por supuesto, no es tan easy: estos campos están cuantificados, lo que significa que solo responden a las entradas de energía de una cantidad muy específica. Por ejemplo, solo puede excitar el campo de electrones si la energía coincide exactamente con la masa de un electrón. Cualquiera menos, y no pasa nada. Pero aplique la cantidad correcta y aparece una “onda de electrones”.
QFT ayuda a explicar muchos fenómenos intuitivamente. Por ejemplo, cuando un electrón y un positrón (su antipartícula) se encuentran, lo que realmente sucede es que una onda positiva y negativa en el campo de electrones se canceló entre sí. La energía resultante luego excita el campo de fotones, creando dos fotones.
La teoría del campo cuántico resuelve la famosa dualidad de la mecánica cuántica de la ola de ondas eliminando por completo la imagen de partículas. Todo es olas. El clásico experimento de doble inclinación lo ilustra maravillosamente.
Cuando se emite un electrón desde una fuente, lo que realmente se emite es una perturbación en el campo de electrones. A medida que se acerca a las dos ranuras, la ola se extiende e interfiere consigo misma. Luego llega a la pared detrás de las ranuras. Allí, el campo de electrones interactúa con los patrones de onda de los electrones en los átomos que forman la pared. Se produce una interacción aleatoria, desencadenando una reacción química, y aparece un punto seen en la pantalla. Debido a que estas interacciones son como punto, parece en experimentos como si estuviéramos lidiando con partículas. Pero según QFT, las partículas como tales no existen, solo los campos lo hacen.
QFT actualmente proporciona la descripción más precisa que tenemos del mundo físico, produciendo predicciones que coinciden con experimentos con una precisión extraordinaria. Pero hay un problema importante: no es appropriate con la relatividad normal. Los campos cuánticos omnipresentes se asemejan al éter del siglo XIX, al igual que lo hace el espacio-tiempo en la relatividad, pero las propiedades de estos dos “éteres” son fundamentalmente diferentes. Cuando intentamos fusionarlos en una sola teoría, surgen contradicciones.
Aún así, muchos físicos están trabajando en esta unificación, y han surgido numerosos candidatos: la teoría de la hostaje, la gravedad cuántica de bucle, la teoría de giro y varios otros.
Antes de hablar sobre estas teorías, vale la pena introducir el concepto de las unidades de Planck, ya que casi cada intento de una teoría unificada se basa en ello. Según el principio de incertidumbre de Heisenberg y algunas otras constantes físicas, se puede calcular la escala de longitud más pequeña posible a la que se puede obtener información, incluso en teoría,. Esto se conoce como la longitud de Planck. Las distancias más pequeñas que esto simplemente no existen de manera físicamente significativa, porque no tenemos medios para detectar nada en tales escalas. Del mismo modo, hay un tiempo planck, la unidad de tiempo más pequeña significativa.
Esto lleva a una thought intrigante: quizás el espacio-tiempo tiene una estructura discreta o “atómica”, o, para usar una analogía más moderna, está compuesta de “píxeles” de tamaño finito. Lo que hace que esta noción sea especialmente emocionante es que estas escalas inalcanzables se convierten en un tipo de escondite para problemas teóricos no resueltos. La escala de Planck es para los físicos teóricos lo que es esa habitación cerrada para el dueño de una casa hermosa y bien cuidada, el lugar donde todo el desorden y el caos se esconde lejos de la vista.
Tome la teoría de cuerdas, por ejemplo. Propone que solo hay un objeto elementary en el universo: la supervaloración y sus vibraciones determinan qué partícula está presente. Una frecuencia corresponde a un fotón, otro a un electrón, y así sucesivamente. Es una teoría extraordinariamente elegante, una en la que el universo se asemeja a una gran sinfonía cósmica.
Pero hay una trampa: las matemáticas requieren no solo 3 dimensiones espaciales, sino 9. Por supuesto, la experiencia cotidiana nos cube que solo percibimos 3. Entonces, ¿dónde están las 6 dimensiones restantes? La respuesta es que se compactan, se convierten en espacios más pequeños que la longitud de Planck, por lo que no los notamos. Problema resuelto.
Qué elegante o satisfactoria se siente esta solución es, por supuesto, una cuestión de gusto private.
Tenemos todas las razones para creer que existe una gran teoría de campo unificada, una que reduciría todas las partículas, todas las interacciones, la gravedad e incluso la estructura del espacio -tiempo en sí a un solo marco subyacente. Quizás esta teoría closing se basará en un medio comparable al antiguo concepto del éter, con las propiedades de este medio determinando cómo se comporta todo el universo. Pero por ahora, tal teoría permanece fuera de alcance.
Un punto más que me gustaría resaltar es la inexactitud de nuestros modelos mentales. Suena atractivo, por ejemplo, comparar los campos cuánticos con la superficie de un cuerpo de agua, con partículas elementales como las olas, pero no debemos olvidar que esto es solo una metáfora y una bastante imprecisa. La teoría de campo cuántico (QFT) no ofrece respuestas reales a los misterios más profundos de la mecánica cuántica. Sigue siendo no native, y el colapso enigmático de la función de onda todavía está presente.
Es cierto, en lugar de las olas que colapsan en partículas, QFT habla de interacciones puntuales, pero la pregunta central sigue siendo: ¿qué causa el colapso y por qué sucede en un solo lugar y no en otro? Como resultado, las extrañas interpretaciones de la mecánica cuántica, como la hipótesis de muchos mundos o los efectos retrocausales que avanzan en el tiempo, existen dentro de QFT. La no localidad también sigue siendo: la función de onda de un sistema de partículas enredado puede estirarse a través de los años luz, solo para colapsar instantáneamente en una sola interacción.
Entonces, cuanto más profundizamos en QFT, más lejos nos desplazamos de la imagen intuitiva de las ondas en una superficie de agua. Y si realmente queremos ver las cosas con claridad, sin ser engañados por analogías defectuosas, nos quedamos con una sola herramienta: las matemáticas.
En última instancia, el modelo más preciso del mundo se asemeja a un vasto cálculo. Nos acercamos a la realidad más cerca de la realidad cuando imaginamos el universo como un conjunto gigante de estados, experimentando un cálculo continuo, cada momento transformando el sistema en un nuevo estado. Información pura y procesamiento. Aquellos que resuenan con la hipótesis de la simulación pueden imaginar esto como una computadora actual, construida por alguien “por ahí”, ejecutando nuestro mundo como un programa. Otros, que creen que habitamos la única realidad objetiva verdadera, podrían decir que el mundo mismo es la computadora.
Cualquiera que sea el caso, una cosa es segura: cuanto más profundo nos aventuramos en la madriguera del conejo, más debemos enfrentar el hecho de que el universo es mucho, mucho más extraño de lo que jamás imaginamos.
