El problema del tiempo de la gravedad cuántica.


Este artículo es una traducción al castellano del publicado por  Natalie Wolchover y llamado “Quantum Gravity’s Time Problem” donde se intenta explicar cómo influye la fuerza de la gravedad en el transcurso del tiempo. Por todos es sabido que a mayor gravedad el tiempo transcurre “más lentamente” en relación a como transcurre el tiempo con otros objetos y personas situados más lejos de los objetos masivos. Se han hecho experimentos con relojes atómicos de cesio sincronizados y luego colocado uno en altas montañas de la Tierra y luego comparado contra el “reloj testigo” -y considerando que dichos relojes tienen un error de un segundo cada 52 millones de años– la diferencia de tiempo observada entra ambas máquinas supera con creces el error del instrumento por lo que se comprueba la teoría señalada (otra cosa es la velocidad con que uno se desplaza y es objeto de otras comprobaciones experimentales aplicadas, por ejemplo, a los satélites que mantienen el Sistema de Posicionamiento Global -GPS-). Os invito a leer y comprender este interesante artículo.


Los físicos teóricos que se esfuerzan por unificar la mecánica cuántica y la relatividad general en una teoría omnipresente de la gravedad cuántica se enfrentan a lo que se llama el “problema del tiempo”.

En la mecánica cuántica, el tiempo es universal y absoluto; sus señales constantes dictan los enredos evolutivos entre las partículas. Pero en la relatividad general (teoría de la gravedad de Albert Einstein), el tiempo es relativo y dinámico, una dimensión que está inextricablemente entretejida con las direcciones X, Y y Z en un tejido “espacio-tiempo” de cuatro dimensiones. El tejido se deforma bajo el peso de la materia, haciendo que la materia cercana caiga hacia ella (esta es la gravedad), y ralentiza el paso del tiempo en relación con los relojes lejanos. Si salta en un cohete y utiliza el combustible para contrarrestar la gravedad y acelerar a través del espacio el tiempo se dilatará y usted envejecerá menos que cualquiera que se quedó en casa.

Unificar la mecánica cuántica y la relatividad general requiere reconciliar sus nociones absolutas y relativas del tiempo. Recientemente, un prometedor estallido de la investigación sobre la gravedad cuántica ha proporcionado un esbozo de lo que podría ser la reconciliación, así como ideas sobre la verdadera naturaleza del tiempo.

Como describí en un artículo de esta semana sobre un nuevo intento teórico de explicar la materia oscura, muchos físicos consideran ahora el espacio-tiempo y la gravedad como fenómenos “emergentes”: el espacio-tiempo curvo y la materia dentro de él son un holograma que surge de una red de qubits enredados (bits cuánticos de información), así como el entorno tridimensional de un juego de ordenador está codificado en los bits clásicos de un chip de silicio. “Creo que ahora entendemos que el espacio-tiempo es realmente sólo una representación geométrica de la estructura enredada de estos sistemas cuánticos subyacentes”, dijo Mark Van Raamsdonk, físico teórico de la Universidad de Columbia Británica.

Los investigadores han trajado con la matemática mostrando cómo el holograma surge en los universos de juguete que poseen una geometría de espacio-tiempo de ojo de pez conocida como espacio “anti-de Sitter” (AdS). En estos mundos deformados, los incrementos espaciales se hacen más y más cortos a medida que se aleja del centro. Eventualmente, la dimensión espacial que se extiende desde el centro se encoge a nada, golpeando un límite. La existencia de este límite – que tiene una dimensión espacial menos que el espacio-tiempo interior, o “volumen” – ayuda a los cálculos proporcionando una etapa rígida sobre la cual modelar los qubits enredados que proyectan el holograma dentro. “Dentro de la masa, el tiempo empieza a doblarse y curvarse con el espacio de manera dramática”, dijo Brian Swingle de las universidades de Harvard y Brandeis. “Tenemos una comprensión de cómo describir eso en términos de ‘lodo’ en el límite”, agregó, refiriéndose a los qubits enredados.

Los estados de los qubits evolucionan de acuerdo con el tiempo universal como si ejecutaran pasos en un código informático, dando lugar a un tiempo deformado y relativista en la mayor parte del espacio AdS. Lo único es que no es así como funciona en nuestro universo.

Aquí, el tejido del espacio-tiempo tiene una geometría de “de Sitter”, estirandose a medida que se pierde la vista en la distancia. La tela se extiende hasta que el universo golpea un tipo muy diferente de frontera de la del espacio AdS: el fin de los tiempos. En ese momento, en un evento conocido como “muerte por calor”, el espacio-tiempo se habrá estirado tanto que todo en él se verá causalmente desconectado de todo lo demás, de modo que ninguna señal pueda volver a viajar entre ellos. La noción familiar del tiempo se rompe. A partir de entonces, no pasa nada.

En el límite intemporal de nuestra burbuja espacio-tiempo, los enredos que unen a los qubits (y que codifican el interior dinámico del universo) presumiblemente permanecerían intactos, ya que estas correlaciones cuánticas no requieren que las señales sean enviadas de un lado a otro. Pero el estado de los qubits debe ser estático y eterno. Esta línea de razonamiento sugiere que de alguna manera, al igual que los qubits en el límite del espacio de AdS dan lugar a un interior con una dimensión espacial extra, los qubits en el límite intemporal del espacio de Sitter deben dar lugar a un universo con tiempo – tiempo dinámico, en particular. Los investigadores aún no han descubierto cómo hacer estos cálculos. “En el espacio de Sitter”, dijo Swingle, “no tenemos una buena idea de cómo entender el surgimiento del tiempo”.

Una pista proviene de las ideas teóricas que llegaron a Don Page y William Wootters en los años ochenta. Page, ahora en la Universidad de Alberta, y Wootters, ahora en Williams, descubrieron que un sistema enredado que es globalmente estático puede contener un subsistema que parece evolucionar desde el punto de vista de un observador dentro de él. Llamado un “estado de historia”, el sistema consiste en un subsistema enredado con lo que podrías llamar un reloj. El estado del subsistema difiere dependiendo de si el reloj está en un estado en el que su manecilla de hora apunta a uno, dos, tres y así sucesivamente. “Pero todo el estado del sistema-más-reloj no cambia con el tiempo”, explicó Swingle. “No hay tiempo. Es sólo el estado – no cambia nunca “. En otras palabras, el tiempo no existe a nivel global, pero una noción efectiva de tiempo emerge para el subsistema.

Un equipo de investigadores italianos demostró experimentalmente este fenómeno en 2013. Al resumir su trabajo, el grupo escribió: “Mostramos cómo un estado estático y enredado de dos fotones puede ser visto como evolucionando por un observador que usa uno de los dos fotones como reloj para medir la evolución del tiempo del otro fotón. Sin embargo, un observador externo puede demostrar que el estado enredado global no evoluciona “.

Otros trabajos teóricos han llevado a conclusiones similares. Los patrones geométricos, como el amplituedro, que describen los resultados de las interacciones de las partículas también sugieren que la realidad emerge de algo intemporal y puramente matemático. Todavía no está claro, sin embargo, cómo el amplituedro y la holografía se relacionan entre sí.

El resultado final, en palabras de Swingle, es que “de alguna manera, puedes salir del tiempo de los grados de libertad intemporales usando enredos”.

El tiempo dirá.


authorphoto_natalie

Natalie Wolchover es una escritora senior en la revista “Quanta” que cubre las ciencias físicas. Anteriormente, escribió para “Popular Science”, “LiveScience” y otras publicaciones. Tiene una licenciatura en física de la Universidad de Tufts, estudió física de posgrado en la Universidad de California en Berkeley y fue coautora de varios trabajos académicos en óptica no lineal. Su escritura fue presentada en “The Best Writing on Mathematics” 2015. Ella es la ganadora del Premio 2016 de Excelencia en Informes Estadísticos y el Premio 2015 “Evert Clark / Seth Payne” para jóvenes periodistas científicos.


 

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