Los científicos del Fermilab han estado realizando experimentos para buscar fluctuaciones cuánticas de espacio y tiempo en la escala más pequeña imaginable según la física conocida. En este límite, la longitud de Planck, nuestras nociones clásicas de espacio y tiempo se rompen.

Imagina la proporción del tamaño del universo en comparación con una mota de polvo. Eso es más o menos el tamaño de la mota de polvo en comparación con la longitud de Planck, 10 ^-33 centímetros. El tiempo de Planck es el tiempo que tarda la luz en recorrer esa distancia.

La mecánica cuántica nos dice que todo fluctúa constantemente a pequeña escala, pero las fluctuaciones del espacio y el tiempo a escala de Planck son tan pequeñas que nunca se han medido en el laboratorio. Comprender mejor el movimiento en la escala de Planck puede ayudar a los físicos a responder una pregunta básica e importante:¿Por qué parecen suceder cosas en momentos y lugares definidos?

Esta propiedad del espacio-tiempo, a veces llamado simplemente "localidad, "es de hecho bastante básico. Se supone que lugares y tiempos definidos son de lo que está hecho el espacio-tiempo:el tejido mismo de la realidad.

Durante mucho tiempo se pensó que la escala de Planck es demasiado pequeña para estudiarla en cualquier experimento, pero hace unos 10 años decidimos intentarlo de todos modos. Es posible que las incertidumbres cuánticas del espacio-tiempo a escala de Planck se sumen a lo largo del tiempo que tarda la luz en cruzar un experimento, por lo que un efecto increíblemente pequeño se vuelve simplemente muy difícil, en lugar de imposible, de detectar. Entonces, Construimos un aparato llamado Fermilab Holómetro para buscar fluctuaciones muy pequeñas en lugares muy separados.

Materia cuántica y espacio-tiempo:dos sistemas mundiales que comparten una realidad inexplicable

Un sistema cuántico es cualquier cosa hecha de materia y energía, y nada en él sucede en un lugar y tiempo definidos hasta que se mide. El espacio-tiempo parece ser todo lo contrario:todo sucede localmente en un lugar definido, pero sus propiedades solo se pueden medir de forma no local, es decir, comparando lo que sucede en diferentes lugares.

De alguna manera, Estos dos sistemas de mundos diferentes, la materia cuántica y el espacio-tiempo, comparten e interactúan en el mismo mundo físico real. El espacio absoluto local afecta directamente a la materia, como cualquiera puede ver haciendo girar una peonza o experimentar marearse en un tiovivo. Como la materia es la fuente de la gravedad, obviamente afecta el espacio y el tiempo. Ondas gravitacionales, que están hechos de puro espacio-tiempo, llevar energía e información, incluso a través del espacio "vacío", y la materia puede convertirse en puro espacio-tiempo, en forma de agujeros negros. Pero nadie entiende exactamente cómo las cosas cuánticas se relacionan con el espacio y el tiempo.

La razón por la que es fácil olvidarse del espacio-tiempo cuántico en la vida cotidiana, e incluso en la mayoría de los experimentos de Fermilab, es que no afecta nada de lo que realmente medimos. Aunque debe haber cierta incertidumbre cuántica en el propio espacio-tiempo, se vuelve fatal para la teoría estándar solo por debajo de la longitud donde las partículas cuánticas individuales forman agujeros negros. Esta es la pequeña escala que llamamos longitud de Planck.

El éxito del holómetro al no medir nada

En un modesto, Escala de 40 metros, el holómetro se asemeja a detectores gigantes, como el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser en Hanford, Washington, y Livingston, Luisiana, que se utilizan para detectar ondas gravitacionales de objetos distantes. Como LIGO, utiliza espejos y luz (interferómetros láser) para medir la vibración del espacio y el tiempo. En el holómetro, la luz láser y los espejos, tomados en conjunto como un sistema, convertirse en un objeto cuántico no local de 40 metros de largo en una dirección y 40 metros en otra. Crean una señal de salida que depende de las diferencias cuánticas en las posiciones del espejo. Podemos medir las fluctuaciones de cambios aleatorios de posición relativa de sólo una longitud de Planck cada tiempo de Planck si están correlacionados coherentemente en la escala del aparato.

Publicamos los resultados de nuestro primer experimento hace varios años. En cierto sentido, el experimento fue un gran éxito, desde que logramos medir nada con una precisión sin precedentes:con algunos tipos de nerviosismo de la escala de Planck, hubiéramos visto un gran efecto. Pero no encontramos tal temblor. Estaba tranquilo.

Sin embargo, ese experimento no descartó todo tipo de movimiento fluctuante en el espacio-tiempo. Por ejemplo, porque los brazos de sus interferómetros eran rectos, la luz láser no se vería afectada si el aparato se sacudiera con un movimiento puramente de rotación:los espejos se moverían hacia los lados en relación con el rayo en lugar de a lo largo de él.

Buscando giros a escala de Planck en el espacio-tiempo

En relatividad general, la materia en rotación arrastra consigo el espacio-tiempo. En presencia de una masa giratoria, el marco no giratorio local, medido por un giroscopio, gira en relación con el universo distante, medido por estrellas distantes. Bien podría ser que el espacio-tiempo cuántico tenga una incertidumbre de escala de Planck del marco local, lo que daría lugar a fluctuaciones de rotación aleatorias o giros que no hubiéramos detectado en nuestro primer experimento, y demasiado pequeño para detectarlo en cualquier giroscopio normal.

Entonces, hicimos un nuevo experimento. Reconstruimos el aparato con una nueva forma. Agregamos espejos adicionales para dirigir parte de la luz láser en diferentes direcciones, por lo que la señal respondería a temblores o giros rotacionales coherentes.

El nuevo instrumento es un giroscopio increíblemente sensible para duraciones muy cortas, capaz de detectar giros rotacionales muy pequeños en la fracción de un microsegundo que necesita la luz para cruzarlo. Podemos detectar temblores que cambian de dirección aleatoriamente un millón de veces por segundo, pero eso mueve los lados opuestos del aparato sólo una milmillonésima de una milmillonésima parte de un metro, una velocidad mucho más lenta que la deriva continental. En nuestro aparato, que corresponde a giros que fluctúan aleatoriamente de aproximadamente una longitud de Planck cada vez que Planck.

Recientemente completamos nuestro experimento final con este holómetro reconfigurado. Nuestro resultado final es nuevamente sin nerviosismo, que se puede interpretar como sin giros a escala de Planck, de cierto tipo, en el tejido del espacio-tiempo. Parece que el espacio-tiempo en la escala de Planck es muy silencioso.

La razón para seguir buscando estos efectos es que es posible que nunca entendamos cómo funciona el espacio-tiempo cuántico sin alguna medida para guiar la teoría. El programa Holómetro es exploratorio. Nuestro experimento comenzó con solo teorías aproximadas para guiar su diseño, y todavía no tenemos una forma única de interpretar nuestros resultados nulos, ya que no existe una teoría rigurosa de lo que buscamos. ¿Son los nervios un poco más pequeños de lo que pensamos? ¿O tienen una simetría que crea un patrón en el espacio que no hemos medido? La nueva tecnología permitirá experimentos futuros mejor que los nuestros y posiblemente nos dé algunas pistas sobre cómo el espacio y el tiempo emergen de un sistema cuántico más profundo.

Recientemente publicamos un artículo sobre nuestros hallazgos en arXiv.