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La espuma cuántica (también conocida como espuma de espacio-tiempo o burbuja de espacio-tiempo ) es la fluctuación cuántica del espacio-tiempo en escalas muy pequeñas debido a la mecánica cuántica . La materia y la antimateria se crean y destruyen constantemente. Estos objetos subatómicos se denominan partículas virtuales , también llamadas espuma cuántica. [1] La idea fue ideada por John Wheeler en 1955. [2] [3]

Antecedentes

Con una teoría incompleta de la gravedad cuántica , es imposible estar seguro de cómo se vería el espacio-tiempo a pequeña escala. Sin embargo, no hay ninguna razón por la que el espacio-tiempo deba ser fundamentalmente fluido. Es posible que, en cambio, en una teoría cuántica de la gravedad, el espacio-tiempo consista en muchas regiones pequeñas y cambiantes en las que el espacio y el tiempo no son definidos, sino que fluctúan como una espuma. [4]

Wheeler sugirió que el principio de incertidumbre podría implicar que en distancias suficientemente pequeñas e intervalos de tiempo suficientemente breves, "la geometría misma del espacio-tiempo fluctúa". [5] Estas fluctuaciones podrían ser lo suficientemente grandes como para causar desviaciones significativas del suave espacio-tiempo visto a escalas macroscópicas, dando al espacio-tiempo un carácter "espumoso".

Resultados experimentales

Lo que Hendrik Casimir predijo y se puede verificar con el experimento de Casimir es una fuerte evidencia de que existen partículas virtuales. Otra medida apoya la idea de la partícula virtual, al predecir la fuerza de un imán formado por un electrón o un muón. El experimento g2 tiene como objetivo esta medición. [1]

En 2009, los dos telescopios MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) detectaron que entre los fotones de rayos gamma que llegaban del blazar Markarian 501 , algunos fotones a diferentes niveles de energía llegaban en diferentes momentos, lo que sugiere que algunos de los fotones se habían movido más lentamente. y así contradecir la noción de la teoría de la relatividad general de que la velocidad de la luz es constante, una discrepancia que podría explicarse por la irregularidad de la espuma cuántica. [6] Sin embargo, experimentos más recientes no pudieron confirmar la supuesta variación en la velocidad de la luz debido a la granulosidad del espacio. [7] [8]

Otros experimentos que involucran la polarización de la luz de estallidos distantes de rayos gamma también han producido resultados contradictorios. [9] Se están realizando o se proponen más experimentos terrestres [10] . [11]

Restricciones y límites

Se esperaría que las grandes fluctuaciones características de una espuma espaciotemporal ocurrieran en una escala de longitud del orden de la longitud de Planck . [12] Un espacio-tiempo espumoso tendría límites en la precisión con la que se pueden medir las distancias porque el tamaño de las muchas burbujas cuánticas a través de las cuales viaja la luz fluctuará. Dependiendo del modelo de espacio-tiempo utilizado, las incertidumbres del espacio-tiempo se acumulan a diferentes velocidades a medida que la luz viaja a través de grandes distancias.

Las observaciones de rayos X y rayos gamma de los quásares utilizaron datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA , el Telescopio espacial de rayos Gamma Fermi y las observaciones de rayos gamma terrestres del Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array (VERITAS) muestran que el espacio-tiempo es uniforme hasta distancias 1000 veces más pequeñas que el núcleo de un átomo de hidrógeno.

Las observaciones de la radiación de la cercana cuásares por Floyd Stecker de la NASA Goddard Space Flight Center han colocado experimentales fuertes límites sobre los posibles violaciónes de Einstein de la teoría especial de la relatividad que implica la existencia de espuma cuántica. [13] Por lo tanto, la evidencia experimental hasta ahora ha dado un rango de valores en los que los científicos pueden probar la espuma cuántica.

Modelo de difusión aleatoria

La detección de rayos X de Chandra de quásares a distancias de miles de millones de años luz descarta el modelo en el que los fotones se difunden aleatoriamente a través de la espuma del espacio-tiempo, similar a una luz que se difunde al pasar a través de la niebla.

Modelo holográfico

Las mediciones de cuásares en longitudes de onda de rayos gamma más cortas con Fermi y longitudes de onda más cortas con VERITAS descartan un segundo modelo, llamado modelo holográfico con menos difusión. [14] [15] [16] [17]

Relación con otras teorías

Las fluctuaciones del vacío proporcionan al vacío una energía distinta de cero conocida como energía del vacío . [18]

La teoría de la espuma giratoria es un intento moderno de hacer que la idea de Wheeler sea cuantitativa .

Ver también

  • Geon
  • Radiación de Hawking
  • Principio holográfico
  • Agujero de gusano lorentziano
  • Tiempo de planck
  • Fluctuación cuántica
  • Mecánica cuántica estocástica
  • Teoria de las cuerdas
  • Energía de vacío
  • Agujero de gusano

Notas

  1. ↑ a b Espuma de Qantum , Don Lincoln , Fermilab, 24 de octubre de 2014.
  2. ^ Wheeler, JA (enero de 1955). "Geones". Revisión física . 97 (2): 511–536. Código Bibliográfico : 1955PhRv ... 97..511W . doi : 10.1103 / PhysRev.97.511 .
  3. ^ Minsky, Carly (24 de octubre de 2019). "El universo está hecho de pequeñas burbujas que contienen mini-universos, dicen los científicos: la 'espuma del espacio-tiempo' podría ser la cosa más salvaje del universo conocido, y apenas estamos empezando a comprenderlo" . Vice . Consultado el 24 de octubre de 2019 .
  4. ^ Ver las animaciones QCD de Derek Leinweber de la espuma del espacio-tiempo, como se exhibe en la conferencia de Wilczek
  5. ^ Wheeler, John Archibald; Ford, Kenneth Wilson (2010) [1998]. Geones, agujeros negros y espuma cuántica: una vida en física . Nueva York: WW Norton & Company. pag. 328. ISBN 9780393079487. OCLC  916428720 .
  6. ^ "El retraso de los rayos gamma puede ser un signo de 'nueva física ' " .
  7. ^ Vasileiou, Vlasios; Granot, Jonathan; Piran, Tsvi; Amelino-Camelia, Giovanni (2015). "Un límite de escala de Planck en la borrosidad del espacio-tiempo y la violación estocástica de la invariancia de Lorentz" . Física de la naturaleza . 11 (4): 344–346. Código Bibliográfico : 2015NatPh..11..344V . doi : 10.1038 / nphys3270 .
  8. ^ Cowen, Ron (2012). "La carrera cósmica acaba en empate". Naturaleza . doi : 10.1038 / nature.2012.9768 .
  9. ^ Física de desafíos integrales más allá de Einstein / Ciencia espacial / Nuestras actividades / ESA
  10. ^ Moyer, Michael (17 de enero de 2012). "¿El espacio es digital?" . Scientific American . Consultado el 3 de febrero de 2013 .
  11. ^ Cowen, Ron (22 de noviembre de 2012). "Un solo fotón podría detectar agujeros negros a escala cuántica" . Nature News . Consultado el 3 de febrero de 2013 .
  12. ^ Hawking, SW (noviembre de 1978). "Espuma de espacio-tiempo". Física B nuclear . 144 (2–3): 349–362. Código Bibliográfico : 1978NuPhB.144..349H . doi : 10.1016 / 0550-3213 (78) 90375-9 .
  13. ^ "Einstein hace que las dimensiones adicionales sigan la línea" . NASA . Consultado el 9 de febrero de 2012 .
  14. ^ "Sala de prensa de Chandra :: Telescopios de la NASA establecen límites en la" espuma "cuántica de espacio-tiempo :: 28 de mayo de 15" . chandra.si.edu . Consultado el 29 de mayo de 2015 .
  15. ^ "Observatorio de rayos X Chandra - telescopio de rayos X insignia de la NASA" . chandra.si.edu . Consultado el 29 de mayo de 2015 .
  16. ^ Perlman, Eric S .; Rappaport, Saul A .; Christensen, Wayne A .; Jack Ng, Y .; DeVore, John; Pooley, David (2014). "Nuevas restricciones sobre la gravedad cuántica a partir de observaciones de rayos X y rayos gamma". El diario astrofísico . 805 : 10. arXiv : 1411.7262 . Código Bibliográfico : 2015ApJ ... 805 ... 10P . doi : 10.1088 / 0004-637X / 805/1/10 .
  17. ^ "Chandra :: Álbum de fotos :: Espuma de espacio-tiempo :: 28 de mayo de 2015" . chandra.si.edu . Consultado el 29 de mayo de 2015 .
  18. ↑ Báez, John (8 de octubre de 2006). "¿Cuál es la densidad de energía del vacío?" . Consultado el 18 de diciembre de 2007 .

Referencias

  • Minkel, JR (24 de noviembre de 2003). "Tiempo prestado: entrevista con Michio Kaku" . Científico americano
  • Swarup, A. (2006). "Vistas puestas en espuma cuántica" . New Scientist , 189, pág. 18, consultado el 10 de febrero de 2012.