¿Y si el espacio tiempo no es continuo, sino que está dividido en pequeñas «piezas»?

Sin embargo, demostrar experimentalmente cuál es la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo ha resultado imposible, debido a la enorme cantidad de energía que sería necesaria para explorar el Universo a escalas tan pequeñas. Hasta ahora. Un equipo internacional de astrónomos del GrailQuest , el Laboratorio de Astronomía de Rayos Gamma pra la Exploración Cuántica del Espacio Tiempo, en efecto, acaba de proponer un nuevo y ambicioso plan para conseguirlo .

En un artículo recién aparecido en arXiv.org , los investigadores explican que se podría utilizar una flota de pequeñas naves con la única misión de detectar los sutiles cambios de la velocidad de la luz, la piedra angular de algunas de las teorías más impresionantes que tenemos sobre la naturaleza y el funcionamiento del Universo. Si al final resultara que, efectivamente, el espacio-tiempo se divide en pedacitos, sería el principio para una comprensión totalmente nueva de la realidad.

Pero veamos. La pregunta «¿qué son el espacio y el tiempo?» tiene cientos, si no miles, de años de antigüedad. Y la respuesta moderna a la cuestión se basa, curiosamente, en dos pilares teóricos que resultan incompatibles entre sí: la teoría general de la Relatividad de Einstein y la Mecánica Cuántica.

Para la primera, el espacio y el tiempo están íntimamente entrelazados en una estructura unificada de cuatro dimensiones, el espacio-tiempo, en la que se sustenta nuestro Universo. Según la Relatividad General, este espacio-tiempo es continuo, lo que significa que no existen «huecos» ni «divisiones» en ninguna parte.

Todo el espacio-tiempo consiste en una estructura suave, continua y sin fisuras . Además, el espacio-tiempo mismo no sería solo un «escenario» para que la materia, los planetas, las estrellas, las galaxias e incluso nosotros mismos representemos nuestro papel. Lejos de eso, sería también un jugador activo en la partida de la realidad: su capacidad para deformarse y curvarse, por ejemplo, nos proporciona la experiencia de la gravedad.

En el otro lado, un conjunto de reglas a las que llamamos Mecánica Cuántica, gobierna con mano férrea las posibles interacciones entre las partículas, las «cosas» más pequeñas del Universo. Y resulta que para la Mecánica Cuántica la mayor parte de nuestras experiencias cotidianas no son fluidas y contínuas , sino que están divididas, fragmentadas en pequeñas partes. En otras palabras, todo lo que nos rodea está «cuantizado». La energía, el impulso, el giro y la mayor parte de las propiedades de la materia, empezando por su propia estructura, vienen en pequeños paquetes discretos, o «cuantos» .

Y lo que es más, la Mecánica Cuántica misma se divide en dos partes muy diferenres. Por un lado, están las partículas que nos son familiares en nuestras experiencias cotidianas, como los electrones o los protones. Y eso son, claramente, piezas pequeñas que se unen para formar otras mayores. Por el otro, están los campos cuánticos . En el mundo subatómico, en efecto, cada tipo de partícula está asociada a un campo que se extiende a lo largo y ancho del espaciotiempo. Y cuando pensamos en partículas, en realidad estamos pensando en pequeñas vibraciones de sus campos, que a su vez interactúan con otras partículas que también tienen sus propios campos. Y esos campos parecen ser continuos...

En resumen, según cómo lo miremos, el Universo puede mostrarse suave y contínuo o discreto y fragmentado. ¿Pero qué pasa con el espacio-tiempo? Si usamos los conceptos de la Mecánica Cuántica, podríamos llegar a la conclusión de que el tejido mismo de la realidad es discreto , y se divide como lo hacen los píxeles de una pantalla, que tienen identidad individual pero que, juntos, forman imágenes complejas. En ese escenario, lo que experimentamos como movimiento suave y continuo no sería, en realidad, más que una serie de pequeños «saltos» de uno a otro píxel en una cuadrícula cósmica.

Desde hace décadas los físicos tratan de conciliar, sin demasiado éxito, las leyes de la Relatividad general con las de la Mecánica Cuántica. Algunas de las teorías que lo intentan, como la de cuerdas o la de la gravedad cuántica de bucles, predican alguna forma de espacio-tiempo discreto, dividido en pequeñas partes, aunque las predicciones precisas, las interpretaciones y las implicaciones de esa «realidad fragmentada» son aún poco conocidas . Si fuera posible encontrar alguna evidencia de un espacio-tiempo discreto, nos veríamos obligados no solo a reescribir del todo nuestra descripción de la realidad, sino que se abriría una puerta a una auténtica revolución de la Física.

Los investigadores dan por supuesto que esa fragmentación espacio-temporal, si es que existe, se revelará solo de las formas más sutiles. De otro modo, ya la habríamos visto. En esa línea, varias teorías predicen que si el espacio-tiempo fuera discreto, entonces la velocidad de la luz podría no ser totalmente constante, sino que variaría ligeramente dependiendo de su energía. Una luz muy energética tiene una menor longitud de onda, y si esa longitud de onda se hace lo suficientemente pequeña, permitiría «ver» la frgmentación del espaciotiempo.

Sería lo mismo que caminar por la acera con unos pies de tamaño normal, con los que no notaríamos las pequeñas grietas y las irregularidades, y hacerlo después con unos pies microscópicos, con los que tropezaríamos ante cualquier pequeña imperfección, disminuyendo nuestra velocidad. En el espacio-tiempo, sin embargo, ese cambio tendría lugar a una escala realmente diminuta, y si efectivamente estuviera dividido en partes, esa fragmentación solo sería visible en una escala que es más de mil millones de veces más pequeña de la que actualmente podemos ver con nuestros instrumentos más poderosos.

Así las cosas, los autores del estudio proponen un ingenioso sistema para detectar los sutiles cambios de la velocidad de la luz a diversos niveles de energía, para lo que sería necesario recolectar una gran cantidad de la luz más energética (y con menor longitud de onda) del Universo.

Para lograrlo, los astrónomos de GrailQuest proponen lanzar una flota de pequeñas naves, cuyo número varía entre una pocas docenas si son más grandes y varios miles si son más pequeñas, para monitorizar continuamente el cielo en busca de explosiones de rayos gamma , que son las más poderosas de cuantas tienen lugar en el Universo.

Dichas explosiones liberan una enorme cantidad de fotones de altísima energía (rayos gamma), que viajarían hasta miles de millones de años antes de alcanzar a la flota de pequeñas naves. Estas registrarían minuciosamente su energía y, sobre todo, las diferencias en los tiempos de llegada a medida que la oleada de rayos gamma de la explosión se extiendera sobre la flota.

De este modo, GrailQuest podría llegar a revelar si el espacio-tiempo está, o no, dividido en pequeñas partes . Si el experimento resultara y revelara que el espacio-tiempo es discreto, y no continuo, las consecuencias serían imprevisibles. En todo caso, habrá que esperar para saberlo. El estudio forma parte de una ronda de propuestas a la Agencia Espacial Europea para misiones que se llevarán a cabo entre los años 2035 y 2050. Mientras, podemos continuar tranquilamente con los debates teóricos...