La estructura del espacio tiempo

El universo formado por una espuma cuántica, en entredicho

Datos de rayos gamma y espuma cuántica
Ilustración de la espuma cuántica en base a los datos recogidos por el telescopio Fermi. Rayos X: NASA / CXC / FIT / E. Perlman; Ilustración: CXC / M. Weiss

Como tantos otros misterios del universo, aún se desconoce la naturaleza y forma del espacio y el tiempo, esa entelequia en la que tiene lugar cuanto sucede en el universo Se desarrolla en una urdimbre imaginaria que se denomina "continuo espacio-tiempo", pero que en realidad no es más que un modelo matemático que define el universo como un espacio de cuatro dimensiones tres espaciales y una temporal.

Organización del espacio tiempo a escala atómica

Actualmente, los científicos intentan conocer mejor la forma y características de la naturaleza del espacio-tiempo, una expresión que se convirtió en paradigma a partir de la relatividad especial de Einstein en 1905, pero que ni los físicos entienden muy bien cómo funciona. La teoría dejaba claro que no podían separarse ambos conceptos, ya que formaban un continuo según demostraban las matemáticas.

Bien, la relatividad nos permite describir el universo a gran escala, pero a escala microcósmica, rige el azar y la mecánica cuántica nos sirve para describirla. Sin embargo, ninguna teoría ha podido unir ambos sistemas de leyes. La Teoría de la Gran Unificación o Teoría del Todo que soñaba Stephen Hawking tendrá que esperar.

Así que, ¿cómo conciliar la relatividad y la mecánica cuántica para explicar la estructura del universo? Dichas teorías niegan la existencia de un vacío absoluto en el espacio al que se le supone una textura energética que fluctúa continuamente con enorme rapidez.

Los físicos han trabajado con la hipótesis de "espuma cuántica", la forma que se había establecido como la organización del espacio tiempo a escala atómica.

Espuma cuántica en continua transformación

Aunque el espacio-tiempo no parece adquirir estructura ni forma alguna a pequeñísima escala, la mecánica cuántica predice en su formulación sobre el comportamiento de las partículas subatómicas, que no es suave ni uniforme en absoluto.

Su aspecto a esa nanoescala sería el de una espuma en continua transformación, con regiones que fluctúan. Un físico lo ha comparado con el océano en calma visto desde el aire que parece liso y tranquilo, pero que desde cerca se aprecian las continuas olas y la espuma que deja.

Un estudio publicado en la revista Astrophysical Journal, utilizando los datos ofrecidos por el observatorio de rayos X Chandra de la NASA, el telescopio espacial Fermi de ESA (la Agencia Espacial Europea) y otras instituciones astronómicas como VERITAS (Radiation Imaging Telescope), ha establecido límites a la naturaleza cuántica de esa supuesta espuma.

Pero la escala de la espuma cuántica es apenas imaginable. Una 10 000 millonésima parte del diámetro del núcleo de un átomo de hidrógeno, lo que imposibilita su detección, pero sí se puede predecir cómo se difunden los fotones.

Los fotones viajan a la misma velocidad sin importar su nivel de energía

De los tres modelos matemáticos existentes, no funciona ni el que asegura que la espuma del espacio-tiempo es indetectable por la distancia que debe salvar la luz que transporta los fotones, ni el modelo que sugiere que los fotones se difunden al azar a través de la espuma del espacio-tiempo de forma similar a como se difunde la luz a través de una espesa niebla.

De modo que los físicos concluyen "que el espacio-tiempo es menos espumoso de lo que predicen los modelos".

A la controversia viene a sumarse un nuevo experimento que demuestra que una de las bases de la Teoría General de la Relatividad de Einstein se cumple a rajatabla: las partículas de luz, los fotones, se propagan todos exactamente a la misma velocidad a través del espacio. En un artículo publicado en Nature Physics se describe la uniformidad en la velocidad de los fotones a través del espacio.

Explosiones de rayos gamma

Para probarlo se han analizado los datos recogidos por el telescopio espacial Fermi de rayos gamma, que mide el tiempo de llegada a la Tierra de los fotones generados en lejanas explosiones de rayos gamma. Y los datos muestran que tras viajar miles de millones de años a través del espacio, desde el lugar de la explosión hasta nosotros, todos los fotones llegan con apenas una mínima fracción de segundo de diferencia entre uno y otro.

En efecto, estos datos confirman las teorías de Einstein, pero alejan de nuevo una teoría que unifique la relatividad y la mecánica cuántica para la que resultaba muy útil la idea de la "espuma cuántica" del espacio tiempo, ya que teóricamente, esa espuma, implicaría que los fotones se tendrían que propagar a velocidades ligeramente diferentes según su nivel de energía.

Si todos los fotones, sin importar su nivel de energía, llegan al mismo tiempo quiere decir que la espuma cuántica no existe o bien es mucho más pequeña de lo que propugnan los modelos teóricos.