Adiós a la espuma cuántica

Datos Fermi y Einstein

Cuando en las películas de ciencia-ficción se habla del «continuo espacio-tiempo» el espectador tiene que entenderlo por lo que vale. Se trata de una forma algo pedante de hablar del espacio de siempre, pero dado que Einstein y otros nos mostraron que el tiempo debe entenderse como una dimensión más, y además se supone que es un espacio(-tiempo) continuo, pues ahí lo tenemos. Es una expresión estereotipada de esas que quedan bien y no dicen realmente nada.

Y para rematar la faena, puede que ni siquiera sea cierta. Si bien en Relatividad el espaciotiempo es continuo, el sabor cambia cuando introducimos Mecánica Cuántica en el cóctel. Si el tiempo, la longitud y la masa caen por debajo de la llamada escala de Planck, el espaciotiempo deja de ser continuo. El motivo es que a una escala tan pequeña los efectos cuánticos producen fluctuaciones muy intensas.

Resulta algo difícil de describir con precisión porque, para empezar, no existe una teoría de gravedad cuántica, así que lo dejaremos en esto: a tamaños lo bastante pequeños pasan cosas muy raras. Se crean y se destruyen partículas virtuales que, a esos niveles de pequeñez, dan lugar a agujeros negros diminutos. El «continuo» da lugar a una vorágine de fluctuaciones que dan lugar a los que algunos científicos denominan espuma cuántica. Salvando mucho las distancias, es como intentar ver los píxeles individuales de un televisor. Tenemos que acercarnos mucho y usar una buena lupa, pero si el aumento es bastante grande llegará un momento en que lo único que veremos serán puntitos borrosos.

La escala de Planck es algo extremo en términos de cantidades. La longitud de Planck es igual a aproximadamente 10-35  metros, algo que solamente podemos calificar como una jartá de pequeño. Está más allá de lo que podamos sondear con nuestros instrumentos más poderosos, tanto lo de hoy como los de un futuro próximo. Por mucho que lo intentemos, no veremos los píxeles del Universo.

Eso no significa que no podamos medir sus efectos. Imagínense esa «espuma cuántica» como si fuese justamente eso, una tenue nube de espuma que no podemos ver. Sabemos que una clase particular de mosquitos vuela siempre a la misma velocidad. Al menos en teoría. En la práctica vemos que la velocidad de los mosquitos depende de su masa. ¿Qué ha pasado? Una hipótesis es que la espuma ha frenado a los mosquitos, y ese frenado depende de lo gordos que estén. Puede que los mosquitos gordos se frenen menos, o al revés. En cualquier caso, hay una variable (la velocidad) que puede medirse para ver si existe esa espuma o no.

En el espacio tenemos mosquitos que se mueven siempre a la misma velocidad en el vacío. Los llamamos fotones. Si examinásemos un «enjambre» de fotones provenientes de una misma fuente, y midiésemos cuidadosamente su velocidad, podríamos determinar si existe un efecto de frenado dependiente de la energía de los fotones. Sí, ya sabemos todos que Einstein nos dijo que la velocidad de la luz en el vacío debía ser siempre la misma, pero ni siquiera él pudo unificar la Relatividad con la Mecánica Cuántica. Un universo cuántico-relativista podría traernos nuevos efectos interesantes, como precisamente el hecho de que la velocidad de la luz pueda depender de su energía.

En principio pueden suceder cuatro casos:

1) Puede suceder que los fotones de mayor energía viajen más lentamente. Eso es lo que sucede con la luz visible en el agua, proporcionándonos esos hermosos arcoíris que podemos ver en una tarde de día lluvioso.

2) Puede que suceda justo al revés y los fotones más energéticos viajen con mayor velocidad.

3) Puede que la velocidad de un fotón no dependa de su energía sino que vaya variando de forma más o menos caprichosa (dispersión estocástica).

4) Y, por supuesto, puede que el tito Albert tenga razón y los fotones viajen por ahí siempre a la misma velocidad.

Para resolver la cuestión, los físicos están echando mano de un fenómeno denominado estallido de rayos gamma (GRB por sus siglas en inglés). Un GRB es un destello breve e increíblemente energético generados por supernovas o estrellas binarias. La lejanía de estos estallidos hace que los fotones tengan que recorrer largas distancias, lo que amplifica las variaciones entre velocidades que éstos puedan tener, y su brevedad permite detectar mejor las diferencias entre sus tiempos de vuelo.

Los GRB se llevan detectando desde finales de los años 70, pero solamente en fechas recientes hemos alcanzado un grado de detalle adecuado para el tema que nos interesa aquí. Se han podido examinar cuidadosamente algunos GRB gracias al telescopio orbital de rayos gamma Fermi que gira en órbita baja (550 km de altitud). Lanzado en junio de 2008, Fermi puede escudriñar amplias regiones del cielo en busca de GRB. Sus detectores tiene un amplio rango de energías y, lo más importante, reaccionan muy rápidamente, algo muy importante a la hora de buscar estallidos breves.

El 10 de mayo de 2009, Fermi detectó un GRB que ha hecho historia. Mucho antes de que se formase la Tierra, un estallido de energía de violencia casi inimaginable lanzó un chorro de rayos gamma hacia el lugar donde nosotros nos encontramos ahora. Tras recorrer más de siete mil millones de años-luz, una minúscula proporción de esos fotones de alta energía impactó en los detectores del Fermi, que la raza humana había preparado apenas un año antes para este tipo de trabajo.

El estallido del que ahora conocemos como GRB 090510 apenas duró un par de segundos, pero la información que nos proporcionó es de oro puro. De particular interés fue el fotón más energético captado, ya que si hay una dependencia de la velocidad con la energía de los fotones, cuanto más amplia sea la variedad de energías de los fotones tanto mejor. Los instrumentos del Fermi detectaron un fotón con una energía de unos 31 GeV (gigaelectronvoltios), lo que en términos de masa-energía es tanto como la masa en reposo de un átomo de azufre.

Los datos fueron publicados en la revista Nature en 2009. El estudio de los tiempos de llegada para cada fotón y su relación con su energía imponía fuertes restricciones a la posibilidad de que la velocidad de los fotones tuviese una dependencia con la energía. No lo descartaba, pero de suceder tendría lugar a una escala de longitud levemente inferior a la longitud de Planck.

Curiosamente, ese «levemente inferior» era un «muy inferior» en la versión inicial del artículo. Los datos parecían indicar que el efecto de «variación de la velocidad con la energía,» de existir, tendría lugar en un rango de tamaño 100 veces inferior a la longitud de Planck, pero había dudas sobre algunas conjeturas hechas por los autores y al final éstos bajaron su estimación de 100 a 1,2. En cualquier caso, no parece que haya dependencia entre energía y velocidad.

Hay un detalle importante que debe tenerse en cuenta. Y es este: las restricciones a una posible relación energía-velocidad encontradas en ese artículo solamente son válidas en caso de una dependencia sistemática. Ese sería el caso si la velocidad aumentase siempre con la energía, o en el caso de que la velocidad disminuyese siempre con la energía; pero no sirve bajo la suposición de dispersión estocástica, en la que la velocidad variaría de forma aleatoria.

Es decir, de los cuatro casos que describí antes, los casos 1) y 2) parecen descartados, pero del caso 3) aún no hemos dicho nada. Si se mantiene, representaría un contratiempo para diversas teorías modernas… así como para la Relatividad de Einstein.

Hay que volver a los datos. Eso hizo un grupo de científicos franco-italo-israelíes, y los datos fueron publicados el mes pasado en Nature. Sus resultados para la dispersión estocástica es un «pulgares abajo» rotundo. Bueno, rotundo no, pero las restricciones son tan fuertes que parece prácticamente descartada cualquier variación de la velocidad de la luz con su energía, sea sistemática o estocástica.

Eso deja solamente la opción 4), la de siempre: la velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma, la Relatividad no se toca y las camisetas de Einstein sacando la lengua aún molan. Las teorías que predigan algo distinto se encuentran hoy en posición más delicada que ayer; en particular, aquellas que sugieren un carácter granular (no continuo) del espaciotiempo tendrán que andarse con cuidado.

Personalmente, y al margen de los resultados, me encuentro estupefacto por lo que acabo de escribir. Se supone que no podemos trastear en la escala de Planck por su extremo rango. ¿Examinar longitudes veinte órdenes de magnitud inferiores al radio del protón? Inconcebible sería la palabra a aplicar. Sin embargo, nos las hemos arreglado para capturar fotones creados en un estallido gigantesco de rayos gamma a siete mil millones de años-luz de distancia, ¡y usarlos para sondear el Universo a la escala de longitud de Planck!

¿No es alucinante?

Yo no salgo de mi asombro. Así que pueden ir ustedes al cuarto párrafo de este post, releer la parte de «por mucho que lo intentemos, no veremos los píxeles del Universo» y borrarla. La retiro. Si existe alguna limitación al ingenio humano, tardaremos en encontrarla. O quizá no, porque si somos lo bastante ingeniosos como para encontrar límites a nuestro propio ingenio… bueno, vale, ya me voy.



Por Arturo Quirantes
Publicado el ⌚ 1 mayo, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física