ROTURA DE SIMETRIA ESPACIO-TIEMPO

Petr Horava, de la Universidad de California en Berkeley, quiere rasgar el tejido del espacio-tiempo y liberarlos uno del otro con el fin de encontrar una teoría unificada que reconcilie los mundos dispares de la mecanica cuantica y la gravedad, uno de los desafíos más apremiantes a la física moderna.
Durante décadas, los físicos se han visto obstaculizados en sus esfuerzos por reconciliar la teoría general de Einstein de la relatividad, (que describe la gravedad), con la mecánica cuántica, que describe las partículas y fuerzas (con excepción de la gravedad) en la escala más pequeña.
El escollo se encuentra en el conflicto con sus puntos de vista sobre el espacio y el tiempo. Como es visto por la teoría cuántica, el espacio y el tiempo es un telón de fondo estático contra el cual se mueven las partículas. En las teorías de Einstein, por el contrario, el espacio y el tiempo no sólo están vinculados indisolublemente, sino que el espacio-tiempo resultante es moldeado por los cuerpos dentro de él.

Un área donde se empieza a destacar el conflicto entre la teoría cuántica y la relatividad es en la constante gravitacional, G, la cantidad que describe la fuerza de la gravedad. A gran escala —en la escala del Sistema Solar o del universo mismo— las ecuaciones de la relatividad general producen un valor de G que coincide con el comportamiento observado. Pero cuando uno se aproxima a distancias muy pequeñas, la relatividad general no puede ignorar las fluctuaciones cuanticas del espacio-tiempo. Si se las toma en cuenta, el cálculo de G da respuestas ridículas, haciendo imposible las predicciones

De modo que Horava hizo lo impensable y modificó las ecuaciones de Einstein de un modo que elimina la simetría de Lorentz. Para su deleite, esto condujo a un conjunto de ecuaciones que describen la gravedad cuántica en el mismo marco que las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad aparece como la fuerza de atracción que se debe al efecto de partículas cuánticas llamadas gravitones, casi de la misma manera que la fuerza electromagnética es causada por los fotones. También hizo otro importante cambio a la relatividad general.
La teoría de Einstein no tiene una dirección preferida para el tiempo, del pasado hacia el futuro. Pero el universo que observamos sí parece a evolucionar de esa manera. De modo que Horava le dio al tiempo una dirección preferida.

Con estas modificaciones aplicadas, se encontró con que las teorías cuánticas de campo ahora podría describir la gravedad a escalas microscópicas sin producir los resultados sin sentido que plagaron los primeros intentos. “De repente, usted tiene nuevos ingredientes para modificar el comportamiento de la gravedad a distancias muy cortas”, dijo Horava.
La “Gravedad de Horava” no es, por supuesto, el primer intento de elaborar una teoría de la gravedad cuántica. De sus muchos predecesores, las más popular es la teoria de cuerdas.
Pero la gravedad de Horava tiene una característica especialmente atractiva: a diferencia de la teoría de cuerdas, que requiere dominar una importante matemática, puede estudiarse usando las mismas herramientas matemáticas que se han desarrollado para las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Al romper la simetría entre el espacio y el tiempo, la teoría de Horava altera la física de los agujeros negros, en especial los agujeros negros microscópicos, que se pueden formar a las energías más elevadas.
La gravedad de Horava también podrían ayudar con el persistente enigma de la materia oscura. Los movimientos de las estrellas y las galaxias que han observado los astrónomos parecen hacer necesario que haya mucha más materia en el universo que la que aparece a simple vista. Sin ésta, las galaxias y cúmulos de galaxias se desmembrarían en fragmentos. Pero esta conclusión surge de las ecuaciones de movimiento que derivan de la relatividad general. ¿Qué pasa si estas ecuaciones son ligeramente cambiadas? ¿Esto podría explicar las velocidades observadas de las estrellas y galaxias sin que juegue un papel la materia oscura?
Shinji Mukohyama, en la Universidad de Tokio en Japón, decidió averiguarlo. Al extraer las ecuaciones de movimiento de la teoría de Horava, encontró que venían con un térmico adicional que no está presente en las ecuaciones derivadas de la relatividad general, y que este término extra imita los efectos de la materia oscura. Dependiendo de su valor, puede eliminar algo de la materia oscura, o incluso la mayoría de ella. “Es posible que alguna fracción del panorama de la materia oscura del universo podría estar viniendo de las correcciones de las ecuaciones de Einstein”, dice Horava.

La energía oscura es un problema aún más desalentador. Parece que la expansión del universo se ha comenzado a acelerar en los últimos miles de millones de años, y para explicar esto los físicos han invocado a la inherente energía del vacío del espacio-tiempo: la energía oscura. Pero hay un gran problema. Las teorías de la física de partículas predicen una intensidad de energía oscura de alrededor de 120 órdenes de magnitud mayor que lo que se observa, y la relatividad general no puede explicar esta enorme discrepancia. Aquí, también, la teoría de Horava llega al rescate. Contiene un parámetro que puede ser ajustado para que la energía del vacío que predice la física de partículas se reduzca al pequeño valor positivo que concuerda con los movimientos observados de las estrellas y galaxias.

El universo, por supuesto, tendrá la última palabra. Una mejora en las observaciones de un agujero negro supermasivo, que contiene regiones de intensa gravedad, podría revelar las correcciones que necesita la relatividad general. Esto podría allanar el camino a una teoría de la gravedad cuántica, como la de Horava, en la misma forma que las mediciones inexplicables de la órbita de Mercurio mostraron que las leyes de Newton eran incompletas, abriendo la puerta para Einstein.

Anil Ananthaswamy, autor de este artículo, es consultor de la revista New Scientist y autor de The Edge of Physics: Dispatches from the Frontiers of Cosmology (Duckworth Overlook).

Los seres humanos asociamos, de forma inevitable, la simetría con la idea de perfección. Pero la perfección absoluta sólo puede darse en el reino de las ideas y las abstracciones, un reino en el que las Matemáticas ejercen la soberanía absoluta.

"End of transmission"