La Teoría del Espacio-Tiempo, en constante evolución

Einstein y su concepto del Espacio-Tiempo

¿Estaba Newton en lo cierto y Einstein se equivocó? Parece que descomprimir el tejido del espacio-tiempo y remontándose a las nociones del siglo XIX podría dar lugar a una nueva teoría de la gravedad cuántica. Los físicos han luchado para unificar la mecánica cuántica con la gravedad durante décadas. En contraste, las otras fuerzas fuerzas de naturaleza han 'caído obedientemente' en la línea. Por ejemplo, la fuerza electromagnética puede ser descrita por la mecánica cuántica por el movimiento de los fotones. Sin embargo, intentar hacer funcionar la fuerza gravitatoria entre dos objetos en términos de un gravitón cuántico (las partículas que provocan la gravedad), y de inmediato se presentan los problemas, la respuesta a todos los cálculos es infinito. Pero el año pasado, Petr Hořava, un físico de la University of California, Berkeley, cree que ha entendido el problema. Todo es una cuestión de tiempo.

En concreto, el problema es la forma en que el tiempo está ligado con el espacio en la teoría de la relatividad de Einstein: la relatividad general. Einsten revocó la noción newtoniana de que el tiempo es una constante absoluta en el fondo. En su lugar, argumentó que el tiempo es otra dimensión, entretejida con el espacio para formar una tela maleable que esté distorsionado por la materia. El problema es que en la mecánica cuántica, el tiempo conserva su alejamiento con Newton, proporcionando el escenario contra el que 'baila' la materia, pero nunca son afectados por su presencia. Estas dos concepciones de tiempo no cuadran.

Según Hořava, la solución es cortar los 'hilos' que unen al tiempo con el espacio con altas energías, como las que se encuentran en el Universo primitivo donde la gravedad cuántica rige. Es decir, regresar a la idea de Newton, de que el tiempo y el espacio no son equivalentes, en energías bajas, la relatividad general se 'desprende' de este marco de referencia base.

Esta teoría cuántica de campos de la gravedad es renomalizable en 3+1 dimensiones, aunque no es relativista. Esta teoría es aplicable a corta distancia y permite comprender el comportamiento de los gravitones. Lo sorprendente es que a larga distancia, Hořava afirma que se recupera la teoría relativista de Einstein de la gravedad. Tanto la velocidad de la luz, como la constante e Newton y la constante cosmológica emergen en este límite a partir de la teoría no relativista subyacente. La teoría tiene consecuencias que podrían ser revolucionarias. Por ejemplo, a escalas espaciales muy cortas, la velocidad de la luz tiende hacia infinito, luego, el problema del horizonte que llevó al desarrollo de los modelos para el Big Bang se resuelve trivialmente: No hubo inflación. Más aún, la materia y energía oscuras podrían tener una explicación en la nueva teoría.

Espacio tiempo, concepto de Petr Hořava

Hořava utiliza también lo que el denomina "Detailed Balance Condition" o condición detallada de balance, necesaria para obtener soluciones para agujeros negros compatibles con las de Schwarzschild, Reissner-Norsdtröm, Kerr y Kerr-Newman, o para obtener modelos cosmológicos compatibles con los de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker. Sin embargo, dicha condición en la gravedad de Einstein tiene su origen en la invarianza relativista, sin ella ¿Cómo se justifica dicha condición?. El estudio de si esta condición es esencial para la teoría es otra línea de trabajo en la que han empezado a observarse las debilidades de la teoría. Parece que aparece un gravitón escalar (del tipo de la teoría que desarrolló Lifshitz y que está en la base de la teoría Hořava) además del gravitón usual. Hořava necesita la condición para eliminarlo pero ¿Cómo justificar dicha condición? Sin esa condición, la nueva teoría es incompatible con los resultados experimentales para la gravitación (como el comportamiento de pulsares binarios).

Petr Hořava

Cualquier teoría tetradimensional de la gravedad que sea una generalización consistente de la relatividad especial y que no admita observadores privilegiados, predirá velocidades superiores a la de la velocidad local de la luz en el vacío. En ese artículo, y todos donde lo citan, se refuta la relatividad general de Einstein, incapaz de cumplir este requisito, a la vez que se propone una nueva generalización alternativa, la teoría conectada, que elimina los agujeros negros. 

Desde que Hořava publicó su trabajo en 2009, ha recibido una gran atención, y algunos investigadores han comenzado a utilizarlo para explicar los misterios de la energía y la materia oscura. Otros han descubierto que los agujeros negros quizá no se comporten como creíamos ¿Cómo?. Al romper la simetría entre el espacio y el tiempo, la teoría de Hořava altera la física de los agujeros negros (especialmente los microscópicos, formados con altas energías). Lo que esto implica para la formación de estos agujeros, y si son lo que parecen ser en la relatividad general, es una gran pregunta, y de hecho, la están intentando responder actualmente.

La energía oscura es un problema mayor. Según parece, la expansión del Universo comenzó a acelerarse hace mil millones de años, y para explicarlo, los físicos han invocado la energía de vacío inherente al espacio-tiempo. Eso es la energía oscura. Pero hay un gran problema. Las teorías de la física de partículas predicen que la fuerza de la energía oscura será 120 órdenes de magnitud mayor que la observada y la relatividad general no puede explicar esa diferencia. Aquí, la teoría de Hořava 'entra al rescate'. Contiene un parámetro que puede realizar un ajuste para que la energía de vacío predicha por la física de partículas se reduzca a un valor muy pequeño en línea con lo observado en el movimiento estelar.

¿Quién tendrá la última palabra? El Universo, desde luego, las investigaciones posteriores de agujeros negros supermasivos, podrán revelar las correcciones necesarias, tal como las mediciones de la órbita de Mercurio mostraron que las leyes de Newton no eran completas, allanando el camino a las teorías de Einstein.

Para Saber Más:

Membranes At Quantum Criticality

Petr Hořava

Relativistic Quantum Gravity at a Lifsitz Point

Cristiano Germani, Alex Kehagias y Konstadinos Sfetsos

CDT Meets Hořava-Lifshitz Gravity

J. Ambjørn, A. Görlich, S. Jordan, J. Jurkiewicz y R. Loll.

Cosmology of the Lifshitz Universe

Gianluca Calcagni

On the Extra Mode and Inconsistency of Hořava Gravity

D. Blas,O. Pujolàs, S. Sibiryakov.

A Healthy Extension of Hořava Gravity

D. Blas,O. Pujolàs, S. Sibiryakov.

Consistent Extension of Hořava Gravity

D. Blas,O. Pujolàs, S. Sibiryakov.

Cosmological Perturbations in the Projectable Version of Hořava-Lifshitz Gravity

Alessandro Cerioni, Robert H. Brandenberger

Strong Coupling in Hořava Gravity

Christos Charmousis, Gustavo niz, Antonio Padilla y Paul M. Saffin