Un busto de Max Planck se quita el polvo rápidamente. Planck es conocido como uno de los padres fundadores de la teoría cuántica. Michael Gottschalk / AFP / Getty Images Más a menudo que no, las preguntas que surgen durante el transcurso del día son las que todos podemos responder con bastante confianza. ¿Has almorzado ya? ¿Escuchaste la nueva canción de Taylor Swift? ¿Es un confesionario sobre un chico con el que salió una vez?
Pero cuando comenzamos a reflexionar sobre las grandes preguntas, la que abordamos hoy es si la mecánica cuántica y la relatividad general pueden reconciliarse alguna vez, nuestra confianza en nosotros mismos se desploma. ¿No tiene la mecánica cuántica algo que ver con los planetas? ¿Es la relatividad general aquella en la que la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado? Esperar, ¿Era esa masa o movimiento? O minutos. Son minutos ¿no es así?
Sin miedo. Aunque esta pregunta es extremadamente difícil de responder, la pregunta en sí es tan simple como descifrar la letra de una estrella del pop. Antes de que comencemos a resolver el universo irresoluble, analicemos los componentes.
Primero, abordemos la mecánica cuántica. Y es un buen lugar para comenzar porque es el estudio de algo extremadamente pequeño:la materia y la radiación a nivel atómico y subatómico. En realidad, fue solo cuando los científicos comenzaron a comprender los átomos que la física antigua regular necesitó un poco de enmienda. Porque cuando los científicos miraron los átomos, no se comportaron como el resto del universo. Por ejemplo, los electrones no orbitaron el núcleo como un planeta que orbita alrededor del sol; si es así, se habrían precipitado hacia el núcleo [fuente:Stedl].
Quedó claro que la física clásica no lo cortó a escala atómica. Entonces, la mecánica cuántica surgió de la necesidad de comprender cómo los fenómenos muy pequeños actuaban de manera diferente a las Grandes Cosas en la ciencia. Lo que descubrimos fue que algo como un fotón podría actuar como una partícula (que transporta masa y energía) y una onda (que transporta solo energía). Esto es muy importante, podrían ser dos cosas a la vez. Y significa que las partes más pequeñas del universo fluctúan dramáticamente, y sin forma de conocer la ubicación en particular en ningún momento.
Entonces, ahora entendemos que la mecánica cuántica esencialmente abrió de par en par la forma en que pensamos sobre el universo (cuando se trata de la más pequeña de las escalas). Las partículas pueden ser ondas, por ejemplo. Solo para agregar diversión el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica nos dice que realmente no podemos decir dónde está una partícula o qué tan rápido se mueve al mismo tiempo.
Einstein no lo estaba teniendo. La idea de que realmente no pudiéramos decir dónde estaba una partícula o qué estaba haciendo debe haber sido profundamente inquietante para un físico dedicado a definir la forma en que funcionó el universo, lo que hizo Einstein, con la teoría de la relatividad general.
Ahora no tengas miedo. La relatividad general tiene dos grandes ideas:una sobre el espacio y el tiempo, otro sobre la gravedad. Como tú y yo lo vemos el espacio y el tiempo están en segundo plano. Están arreglados. Existen cronológicamente (y en cierto modo monolíticamente). En la relatividad general, el espacio y el tiempo son una dimensión unificada (llamada espacio-tiempo, convenientemente). Pero aquí está la cuestión:el espacio-tiempo puede ser grande y unificado, pero no se cuelga en segundo plano. La teoría de la relatividad general dice que el espacio-tiempo puede verse afectado por la materia. Eso significa que tú, como materia, existentes - están cambiando el espacio y el tiempo.
OK, no exactamente. En realidad, son cosas realmente grandes las que están haciendo que el espacio-tiempo se distorsione. El sol, por ejemplo, está curvando el espacio-tiempo hacia él. ¿Y qué implicaría eso? Ah, Eso es correcto:planetas más pequeños entrarían en órbita a su alrededor.
Lo que nos lleva a la gravedad. En efecto, La relatividad general no fue solo Einstein dándole una palmada en la espalda a Newton y diciendo:"Sí, señor, ¡la gravedad es una cosa! Einstein nos dio una razón para la gravedad:que la curvatura del espacio-tiempo hizo que la gravedad existiera, e hizo que el universo actuara como lo hizo.
¿Entonces, cuál es el problema? Einstein nos mostró una forma alucinante en la que funciona el universo, y la mecánica cuántica nos muestra una forma fascinante en la que funcionan las partículas a nivel atómico y subatómico. Desafortunadamente, uno no explica el otro. Lo que significa que debe haber una teoría más amplia que los abarque ... ¿o no?
Un agujero negro podría ser una de las mejores opciones para descubrir cómo se relacionan entre sí la mecánica cuántica y la relatividad. Aquí se muestra un gran agujero negro que toma gas de una estrella compañera. Imagen cortesía de NASA E / PO, Universidad Estatal de Sonoma, Aurore Simonnet No podemos entender cómo la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad podrían reconciliarse sin entender primero cómo ellos, ahora mismo, no lo hacen. Porque resulta que ninguno de los dos funciona realmente si el otro es cierto.
Einstein dijo que el espacio-tiempo es una constante suave, y que solo las cosas grandes pueden deformarlo. La mecánica cuántica dijo que las partes más pequeñas del universo están constantemente, dramáticamente fluctuante y cambiante.
Si la mecánica cuántica es correcta y todo está en movimiento difuso constantemente, entonces la gravedad no funcionaría como predijo Einstein. El espacio-tiempo también tendría que estar constantemente en desacuerdo con todo lo que lo rodea, y actuaría en consecuencia. Es más, La mecánica cuántica decía que no se podía, con certeza, declarar un orden fijo. En lugar de, tenías que conformarte con predecir probabilidades.
Por otra parte, si la relatividad general es correcta, entonces la materia no podría fluctuar tan salvajemente. Lo harías, en algún momento, poder saber dónde está toda la materia y exactamente hacia dónde se dirige. Cuales, de nuevo, está en desacuerdo con la mecánica cuántica.
Pero tenga la seguridad de que los científicos, Tanto los físicos como los expertos en sillón están tratando desesperadamente de encontrar una manera de reconciliar los dos. Uno de los pioneros es la teoría de cuerdas, que dice en lugar de una partícula que actúa como un punto, actúa como una cuerda. Eso significa que podría agitar, moverse y hacer bucles y, en general, hacer todo tipo de cosas que un solo punto no pudo. También podría transmitir gravedad a nivel cuántico, y la propagación de las partículas en una cuerda teóricamente haría menos nerviosa, atmósfera menos loca. Que abre la teoría, por supuesto, estar de acuerdo con la relatividad general. Pero tenga en cuenta que la teoría de cuerdas nunca se ha confirmado con ningún experimento, y hay mucho debate si se puede probar.
Si ocurriera un experimento tan monumental, probablemente sucedería en un acelerador de partículas. Ahí es donde podríamos encontrar supercompañeras. (No, no Batman y Robin). Supercompañeros son parte de la teoría de cuerdas que dice que cada partícula tiene una partícula asociada supersimétrica que es inestable y que gira de manera diferente (por ejemplo, el electrón y el selectrón o el gravitón y el gravitino). Por suerte para nosotros, en 2010 encontramos evidencia de nuestro primer bosón de Higgs al chocar partículas juntas en el Gran Colisionador de Hadrones, por lo que podríamos estar en camino de probar experimentalmente la teoría de cuerdas.
Spin también podría ayudarnos a experimentar con entrelazamiento cuántico , donde los electrones quedan atrapados en el giro del otro. Es fácil de ver en espacios pequeños pero los científicos están trabajando para enviar fotones al espacio y viceversa para medir cómo funciona en una gran distancia (y curvatura) de espacio y tiempo.
Pero también podríamos mirar a los agujeros negros para descubrir una Teoría del Todo (¡un TOE!). En un agujero negro tienes una cosa realmente pesada (una estrella, a la que se aplica la relatividad general) y una cosa realmente pequeña (la diminuta mota en la que está aplastada, que explica la mecánica cuántica). Entonces, si podemos determinar qué sucede, o qué cambia, cuando lo grande se vuelve pequeño, podríamos reconciliar la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad.
Algunas veces, Ojalá el titular de un artículo fuera solo un descargo de responsabilidad:"No tengas miedo de este tema". Es una pena que estas grandes ideas, las teorías de Einstein, mecánica cuántica:tienen la reputación de estar más allá de la comprensión del público. Seguro, la matemática detrás de esto está más allá de la mayoría de nosotros, pero uno puede captar las ideas sin él. No hay dragones en física; no tenga miedo de descubrir lo que no sabe.
