El físico teórico de hoy en día se enfrenta a una ardua subida. "A medida que aprendemos más, la realidad se vuelve cada vez más sutil; lo absoluto se vuelve relativo, lo fijo se vuelve dinámico, lo definido está cargado de incertidumbre, "escribe el físico Yasha Neiman.

Profesor y director de la Unidad de Gravedad Cuántica en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), lidia con este acertijo a diario. Gravedad cuántica, La rama de la física de Neiman, tiene como objetivo unificar la mecánica cuántica, que describe la naturaleza a escala de átomos y partículas subatómicas, con la Teoría de la Relatividad General de Einstein, la teoría moderna de la gravitación como la curvatura del espacio y el tiempo. Cómo, él pide, ¿Pueden los físicos escribir ecuaciones cuando la geometría del espacio mismo queda sujeta a la incertidumbre cuántica? Gravedad cuántica, la frontera actual en teoría fundamental, ha demostrado ser más difícil de desenredar que los conceptos anteriores, según Neiman.

"Con el concepto de espacio deslizándose entre nuestros dedos, buscamos puntos de apoyo alternativos en los que basar nuestra descripción del mundo, " el escribe.

Esta búsqueda de puntos de apoyo alternativos es, en esencia, una búsqueda de un nuevo lenguaje para describir la realidad, y es el tema de su obra más reciente, publicado en el Revista de física de altas energías . En el papel, Neiman propone un nuevo punto de vista sobre la geometría del espacio y el tiempo, uno que se basa en enfoques bien establecidos en física, como la holografía y la teoría de twistor, para alcanzar nuevos terrenos.

La holografía es una rama de la teoría de cuerdas, la teoría de que el universo está formado por objetos unidimensionales llamados cuerdas, que se desarrolló a finales de la década de 1990. La holografía imagina los extremos del universo como la superficie de una esfera infinitamente grande que forma el límite del espacio. Incluso cuando la geometría fluctúa dentro de esta esfera, este "límite en el infinito" en la superficie de la esfera puede permanecer fijo.

Durante los últimos 20 años, La holografía ha sido una herramienta invaluable para realizar experimentos mentales de gravedad cuántica. Sin embargo, Las observaciones astronómicas han demostrado que este enfoque no se puede aplicar realmente a nuestro mundo. "La expansión acelerada de nuestro universo y la velocidad finita de la luz conspiran para limitar todas las posibles observaciones, presente o futuro, a una región finita, aunque muy grande, del espacio, "Escribe Neiman.

En un mundo así el límite en el infinito, donde se basa la imagen holográfica del universo, ya no es físicamente significativo. Puede ser necesario un nuevo marco de referencia, uno que no intente encontrar una superficie fija en el espacio, pero que deja el espacio atrás por completo.

En los años 1960, en un intento por comprender la gravedad cuántica, El físico Roger Penrose propuso una alternativa tan radical. En la teoría del twistor de Penrose, los puntos geométricos son reemplazados por giros, entidades que se asemejan más a estiradas, formas de rayos de luz. Dentro de este espacio de twistor, Penrose descubrió una forma altamente eficiente de representar campos que viajan a la velocidad de la luz, como campos electromagnéticos y gravitacionales. Realidad, sin embargo, se compone de más que campos; cualquier teoría también debe tener en cuenta las interacciones entre campos, como la fuerza eléctrica entre cargas, o, en el caso más complicado de la relatividad general, Atracción gravitacional resultante de la energía del propio campo. Sin embargo, Incluir las interacciones de la Relatividad General en esta imagen ha demostrado ser una tarea formidable.

Entonces, ¿podemos expresar en lenguaje twistor una teoría gravitacional cuántica en toda regla, quizás más simple que la relatividad general, pero ¿se tienen plenamente en cuenta tanto los campos como las interacciones? Sí, según Neiman.

El modelo de Neiman se basa en una mayor gravedad de giro, un modelo desarrollado por Mikhail Vasiliev en las décadas de 1980 y 1990. Se puede pensar en una gravedad de espín más alta como la "prima menor" de la teoría de cuerdas, "demasiado simple para reproducir la relatividad general, pero muy instructivo como campo de juego para las ideas, "como dice Neiman. En particular, es perfectamente adecuado para explorar posibles puentes entre la holografía y la teoría de twistor.

Por un lado, como lo descubrieron Igor Klebanov y Alexander Polyakov en 2001, mayor gravedad de giro, al igual que la teoría de cuerdas, se puede describir holográficamente. Su comportamiento dentro del espacio se puede capturar completamente en términos de un límite en el infinito. Por otra parte, sus ecuaciones contienen variables tipo twistor, incluso si todavía están vinculados a puntos particulares en el espacio ordinario.

Desde estos puntos de partida, El artículo de Neiman da un paso más, construir un diccionario matemático que vincule los lenguajes de la holografía y la teoría de twistor.

"La matemática subyacente que hace que esta historia funcione se trata de raíces cuadradas, "escribe Neiman." Se trata de identificar formas sutiles en las que una operación geométrica, como una rotación o un reflejo, se puede hacer 'a mitad de camino'. Una raíz cuadrada inteligente es como encontrar una grieta en una pared sólida, abriéndolo en dos, y revelando un mundo nuevo ".

El uso de raíces cuadradas de esta manera tiene una larga historia en matemáticas y física. De hecho, la forma intrínseca de todas las partículas de materia, como los electrones y los quarks, así como los giros, se describe mediante una raíz cuadrada de direcciones ordinarias en el espacio. En un sentido técnico sutil, El método de Neiman para conectar el espacio, su límite en el infinito, y espacio twistor, se reduce a volver a tomar esa raíz cuadrada.

Neiman espera que su prueba de concepto pueda allanar el camino hacia una teoría cuántica de la gravedad que no se base en un límite en el infinito.

"Se necesitará mucha creatividad para descubrir el código del mundo, "dice Neiman." Y hay alegría en buscarlo a tientas ".