Así como las interacciones entre los granos de arena forman una superficie lisa en la playa, el espacio-tiempo que conocemos podría ser el resultado de las relaciones entre los quarks y sus conglomerados. Crédito:IFJ PAN
La mayoría de los físicos creen que la estructura del espacio-tiempo se forma de forma desconocida en la escala de Planck, es decir., a una escala cercana a una billonésima de billonésima de metro. Sin embargo, consideraciones cuidadosas socavan esta predicción. Hay bastantes argumentos a favor del surgimiento del espacio-tiempo como resultado de procesos que tienen lugar a nivel de los quarks y sus conglomerados.
¿Qué es el espacio-tiempo? El absoluto, escenario inmutable de eventos? O tal vez sea una creación dinámica, emergiendo de alguna manera en una cierta escala de distancia, tiempo o energía. Las referencias al absoluto no son bienvenidas en la física actual. Se cree ampliamente que el espacio-tiempo es emergente. No está claro, sin embargo, donde tiene lugar el proceso de su aparición. La mayoría de los físicos tienden a suponer que el espacio-tiempo se crea en la escala de Planck, a distancias cercanas a una billonésima de billonésima de metro (~ 10-35 m). En su artículo en Fundamentos de la ciencia , El profesor Piotr Zenczykowski del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (IFJ PAN) en Cracovia sistematiza las observaciones de muchos autores sobre la formación del espacio-tiempo, y sostiene que la hipótesis sobre su formación a escala de quarks y hadrones (o agregados de quarks) es bastante sensata por varias razones.
Las preguntas sobre la naturaleza del espacio y el tiempo han desconcertado a la humanidad al menos desde la antigüedad. ¿Están el espacio y el tiempo separados de la materia? crear un "contenedor" para movimientos y eventos que ocurren con la participación de partículas, como lo propuso Demócrito en el siglo V a. C.? O tal vez son atributos de la materia y no podrían existir sin ella, como sugirió Aristóteles un siglo después? A pesar del paso de los milenios, estos problemas aún no se han resuelto. Es más, ambos enfoques, aunque contradictorio, están profundamente arraigados en los pilares de la física moderna.
En mecánica cuántica, los eventos tienen lugar en una arena rígida con un tiempo que fluye uniformemente. Mientras tanto, en la teoría general de la relatividad, la materia deforma el espacio-tiempo elástico (estirándolo y retorciéndolo), y el espacio-tiempo le dice a las partículas cómo moverse. En otras palabras, en una teoría, los actores entran en un escenario ya preparado para interpretar sus roles, mientras que en el otro, crean la escenografía durante la actuación, lo que a su vez influye en su comportamiento.
En 1899, El físico alemán Max Planck notó que con ciertas combinaciones de algunas constantes de la naturaleza, Se podrían obtener unidades de medida muy fundamentales. Solo tres constantes:la velocidad de la luz c, la constante gravitacional G y la constante h de Planck eran suficientes para crear unidades de distancia, tiempo y misa, igual (respectivamente) a 1,62 · 10 -35 metro, 5.39 · 10 -44 sy 2.18 · 10 -5 gramo. Según la creencia generalizada de hoy, el espacio-tiempo se crearía a la altura de Planck. De hecho, no hay argumentos sustantivos para la racionalidad de esta hipótesis.
Tanto nuestros experimentos más sofisticados como nuestras descripciones teóricas alcanzan la escala de los quarks, es decir., el nivel de 10 -18 metro. Entonces, ¿cómo sabemos que en el camino hacia la longitud de Planck, más de una docena consecutiva, órdenes de magnitud cada vez más pequeños:¿el espacio-tiempo conserva su estructura? De hecho, ¡ni siquiera estamos seguros de si el concepto de espacio-tiempo es racional al nivel de los hadrones! Las divisiones no se pueden realizar de forma indefinida, porque en algún momento la cuestión de la siguiente parte más pequeña simplemente deja de tener sentido. Un ejemplo perfecto aquí es la temperatura. Este concepto funciona muy bien a escala macro, pero cuando, después de subsecuentes divisiones de materia, alcanzamos la escala de partículas individuales, pierde su razón de ser.
"En el presente, primero buscamos construir un cuantizado, espacio-tiempo discreto, y luego 'poblarlo' con materia discreta. Sin embargo, si el espacio-tiempo fuera producto de quarks y hadrones, la dependencia se revertiría:el carácter discreto de la materia debería entonces imponer la discreción del espacio-tiempo, "dice el profesor Zenczykowski." Planck se guió por las matemáticas. Quería crear unidades a partir de la menor cantidad de constantes posibles. Pero las matemáticas son una cosa, y la relación con el mundo real es otra. Por ejemplo, el valor de la masa de Planck parece sospechoso. Uno esperaría que tuviera un valor bastante más característico para el mundo de los cuantos. Mientras tanto, corresponde aproximadamente a una décima parte de la masa de una pulga, que es sin duda un objeto clásico ".
Como queremos describir el mundo físico, deberíamos inclinarnos hacia argumentos físicos más que matemáticos. Entonces, al usar las ecuaciones de Einstein, describimos el universo a gran escala, y se hace necesario introducir una constante gravitacional adicional, conocida como la constante cosmológica Lambda. Por lo tanto, mientras construye unidades fundamentales, si expandimos el conjunto original de tres constantes por Lambda, en el caso de masas, obtenemos no uno sino tres valores fundamentales:1.39 · 10 -sesenta y cinco gramo, 2.14 · 10 56 gramo, y 0.35 · 10 -24 gramo. El primero de ellos podría interpretarse como un cuanto de masa, el segundo está al nivel de la masa del universo observable, y el tercero es similar a las masas de hadrones (por ejemplo, la masa de un neutrón es 1,67 · 10 -24 gramo). Similar, después de tener en cuenta Lambda, una unidad de distancia de 6,37 · 10- 15 aparece m, muy cerca del tamaño de los hadrones.
"Jugar juegos con constantes, sin embargo, puede ser arriesgado, porque mucho depende de las constantes que elijamos. Por ejemplo, si el espacio-tiempo fue realmente un producto de quarks y hadrones, luego sus propiedades, incluida la velocidad de la luz, también debería ser emergente. Esto significa que la velocidad de la luz no debe estar entre las constantes básicas, "dice el profesor Zenczykowski.
Otro factor a favor de la formación del espacio-tiempo a escala de quarks y hadrones son las propiedades de las propias partículas elementales. Por ejemplo, el modelo estándar no explica por qué hay tres generaciones de partículas, de donde vienen sus masas, o por qué existen los llamados números cuánticos internos, que incluyen isospin, hipercarga y color. En la imagen presentada por el profesor Zenczykowski, estos valores se pueden vincular a un cierto espacio de seis dimensiones creado por las posiciones de las partículas y sus momentos. El espacio así construido asigna la misma importancia a las posiciones de las partículas (materia) y sus movimientos (procesos). Resulta que las propiedades de las masas o los números cuánticos internos pueden ser una consecuencia de las propiedades algebraicas del espacio 6-D. Y lo que es más, estas propiedades también explicarían la incapacidad de observar quarks libres.
"El surgimiento del espacio-tiempo puede estar asociado con cambios en la organización de la materia que ocurren a una escala de quarks y hadrones en los aspectos más primarios, espacio de fase de seis dimensiones. Sin embargo, no está muy claro qué hacer a continuación con esta imagen. Cada paso subsiguiente requeriría ir más allá de lo que sabemos. Y ni siquiera conocemos las reglas del juego que la naturaleza está jugando con nosotros; todavía tenemos que adivinarlas. Sin embargo, parece muy razonable que todas las construcciones comiencen con la materia, porque es algo físico y experimentalmente disponible. En este enfoque, el espacio-tiempo sería sólo nuestra idealización de las relaciones entre elementos de la materia, "dice el profesor Zenczykowski.
