los agujeros Negros pueden ser nuestra mejor opción para explorar cuántica efectos gravitacionales, como el espacio muy… cerca de la singularidad central es donde se espera que esos efectos sean más importantes. Sin embargo, por debajo de una cierta escala de distancia, somos incapaces de describir con precisión el universo, incluso en teoría. La existencia de una escala de distancia más pequeña en la que las leyes de la física actualmente tienen sentido es un rompecabezas aún por resolver para los físicos.
NASA / Ames Research Center / C., Henze
si quisieras entender cómo funciona nuestro universo, tendrías que examinarlo a un nivel fundamental. Los objetos macroscópicos se componen de partículas, que solo pueden detectarse por sí mismas yendo a escalas subatómicas. Para examinar las propiedades del Universo, debes mirar los componentes más pequeños en las escalas más pequeñas posibles. Solo entendiendo cómo se comportan en este nivel fundamental podemos esperar entender cómo se unen para crear el universo a escala humana con el que estamos familiarizados.,
pero no se puede extrapolar lo que sabemos sobre el universo a pequeña escala a escalas de distancia arbitrariamente pequeñas. Si decidimos bajar por debajo de unos 10-35 metros – la escala de distancia de Planck-nuestras leyes convencionales de la física solo dan tonterías para las respuestas. Esta es la historia de por qué, por debajo de una cierta escala de longitud, no podemos decir nada físicamente significativo.
a menudo visualizamos el espacio como una cuadrícula 3D, a pesar de que esto es una simplificación excesiva dependiente del marco cuando… consideramos el concepto de espacio-tiempo., La pregunta de si el espacio y el tiempo son discretos o continuos, y si hay una escala de longitud más pequeña posible, todavía no ha sido respondida. Sin embargo, sabemos que por debajo de la escala de distancia de Planck, no podemos predecir nada con ninguna precisión en absoluto.
ReunMedia / Storyblocks
Imagine, si lo desea, uno de los problemas clásicos de la física cuántica: la partícula en una caja. Imagina cualquier partícula que te guste, e imagina que de alguna manera está confinada a un cierto pequeño volumen de espacio., Ahora, en este juego cuántico de peek-A-boo, vamos a hacer la pregunta más directa que puedas imaginar: «¿dónde está esta partícula?»
Puede hacer una medición para determinar la posición de la partícula, y esa medición le dará una respuesta. Pero habrá una incertidumbre inherente asociada con esa medición, donde la incertidumbre es causada por los efectos cuánticos de la naturaleza.
¿qué tan grande es la incertidumbre? Está relacionado con ħ y L, donde ħ es la constante de Planck y L es el tamaño de la caja.,
Este diagrama ilustra la incertidumbre inherente a la relación entre la posición y el momentum. Cuando uno… se conoce con mayor precisión, el otro es inherentemente menos capaz de ser conocido con precisión.
usuario de Wikimedia Commons Maschen
para la mayoría de los experimentos que realizamos, la constante de Planck es pequeña en comparación con cualquier escala de distancia real que seamos capaces de sondear, por lo que cuando examinemos la incertidumbre que obtenemos, relacionada con ħ y L, veremos una pequeña incertidumbre inherente.
pero ¿qué pasa si L es pequeño?, ¿Qué pasa si L es tan pequeño que, en relación con ħ, es de tamaño comparable o incluso más pequeño?
Aquí es donde puede ver que el problema comienza a surgir. Estas correcciones cuánticas que ocurren en la naturaleza no surgen simplemente porque existe el efecto principal, clásico, y luego hay correcciones cuánticas de orden ~ħ que surgen. Hay correcciones de todas las órdenes: ~ħ, ~ħ2, ~ħ3, y así sucesivamente., Hay una cierta escala de longitud, conocida como la longitud de Planck, donde si la alcanzas, los Términos de orden superior (que generalmente ignoramos) se vuelven tan importantes o incluso más importantes que las correcciones cuánticas que normalmente aplicamos.
Los niveles de energía de electrones y wavefunctions que corresponden a los diferentes estados dentro de un hidrógeno… átomo, aunque las configuraciones son extremadamente similares para todos los átomos., Los niveles de energía están cuantificados en múltiplos de la constante de Planck, pero los tamaños de los orbitales y átomos están determinados por la energía del estado fundamental y la masa del electrón. Los efectos adicionales pueden ser sutiles, pero cambian los niveles de energía en formas medibles y cuantificables. Nótese que el potencial creado por el núcleo actúa como una ‘caja’ que limita la extensión física del electrón, similar al experimento mental partícula-en-una-caja.
PoorLeno de Wikimedia Commons
¿Cuál es esa escala de longitud crítica, entonces?, La escala de Planck fue presentada por primera vez por el físico Max Planck hace más de 100 años. Planck tomó las tres constantes de la naturaleza:
- G, la constante gravitacional de las teorías de Newton y Einstein de la gravedad,
- ħ, la constante de Planck, o la constante cuántica fundamental de la naturaleza, y
- c, la velocidad de la luz en el vacío,
y se dio cuenta de que se podían combinar de diferentes maneras para obtener un solo valor para la masa, otro valor para el tiempo y otro valor para la distancia., Estas tres cantidades se conocen como la masa de Planck (que sale a unos 22 microgramos), el tiempo de Planck (alrededor de 10-43 segundos), y la longitud de Planck (alrededor de 10-35 metros). Si pones una partícula en una caja que es la longitud de Planck o menor, la incertidumbre en su posición se vuelve mayor que el tamaño de la caja.
Si usted se limita a una partícula a un espacio, y tratar de medir sus propiedades, habrá cuántica… efectos proporcionales a la constante de Planck y al tamaño de la caja., Si la caja es muy pequeña, por debajo de una cierta escala de longitud, estas propiedades se vuelven imposibles de calcular.
Andy Nguyen / UT-Escuela de medicina en Houston
Pero hay mucho más en la historia que. Imagina que tienes una partícula de cierta masa. Si comprimieras esa masa en un volumen lo suficientemente pequeño, obtendrías un agujero negro, como lo harías con cualquier masa. Si tomaras la masa de Planck — que se define por la combinación de esas tres constantes en forma de √(ħc / G) – y hicieras esa pregunta, ¿qué tipo de respuesta obtendrías?,
usted encontrará que el volumen de espacio que necesita esa masa para ocupar sería una esfera cuyo radio Schwarzschild es el doble de la longitud de Planck. Si usted pregunta Cuánto tiempo tomaría para cruzar de un extremo del agujero negro al otro, la longitud de tiempo es cuatro veces el tiempo de Planck. No es coincidencia que estas cantidades estén relacionadas; eso no es sorprendente. Pero lo que podría ser sorprendente es lo que implica cuando empiezas a hacer preguntas sobre el universo a esas pequeñas distancias y escalas de tiempo.,
La energía de un fotón depende de la longitud de onda tiene; de longitud de onda más bajas en energía y… las longitudes de onda más cortas son más altas. En principio, no hay límite a lo corta que puede ser una longitud de onda, pero hay otras preocupaciones físicas que no se pueden ignorar.
el usuario de Wikimedia Commons maxhurtz
para medir cualquier cosa en la escala de Planck, se necesita una partícula con suficiente energía para sondearla., La energía de una partícula corresponde a una longitud de onda (ya sea una longitud de onda de fotón para la luz o una longitud de onda de Broglie para la materia), y para llegar a longitudes de Planck, se necesita una partícula a la energía de Planck: ~1019 GeV, o aproximadamente un cuatrillón de veces mayor que la Energía Máxima de LHC.
si tuvieras una partícula que realmente lograra esa energía, su momento sería tan grande que la incertidumbre energía-momento haría que esa partícula fuera indistinguible de un agujero negro. Esta es realmente la escala en la que nuestras leyes de la física se descomponen.,
la simulación de La desintegración de un agujero negro, no sólo se traduce en la emisión de la radiación, pero la decadencia de… la masa en órbita central que mantiene la mayoría de los objetos estables. Los agujeros negros no son objetos estáticos, sino que cambian con el tiempo. Para los agujeros negros de menor masa, la evaporación es la más rápida.
Eu’s Communicate Science
cuando se examina la situación con mayor detalle, solo empeora., Si empiezas a pensar en las fluctuaciones cuánticas inherentes al espacio (o espacio-tiempo) en sí, recordarás que también hay una relación de incertidumbre energía-tiempo. Cuanto menor sea la escala de distancia, menor será la escala de tiempo correspondiente, lo que implica una mayor incertidumbre energética.
en la escala de distancia de Planck, esto implica la aparición de agujeros negros y agujeros de gusano de escala cuántica, que no podemos investigar. Si realizaras colisiones de mayor energía, simplemente crearías agujeros negros de mayor masa (y mayor tamaño), que luego se evaporarían a través de la radiación de Hawking.,
Una ilustración del concepto de espuma cuántica, donde las fluctuaciones cuánticas son grandes, variadas y… importante en la más pequeña de las escalas. La energía inherente al espacio fluctúa en grandes cantidades en estas escalas. Si ves escalas que son lo suficientemente pequeñas, como acercarse a la escala de Planck, las fluctuaciones se vuelven lo suficientemente grandes como para crear agujeros negros espontáneamente.
NASA / CXC / M. Weiss
se podría argumentar que, tal vez, esta es la razón por la que necesitamos la gravedad cuántica., Que cuando tomas las reglas cuánticas que conocemos y las aplicas a la Ley de la gravedad que conocemos, esto simplemente resalta una incompatibilidad fundamental entre la física cuántica y la Relatividad General. Pero no es tan simple.
La energía es energía, y sabemos que hace que el espacio se curve. Si comienza a intentar realizar cálculos de teoría cuántica de campos en o cerca de la escala de Planck, ya no sabe en qué tipo de espacio-tiempo realizar sus cálculos. Incluso en electrodinámica cuántica o cromodinámica cuántica, podemos tratar el espacio-tiempo de fondo donde existen estas partículas para que sea plano., Incluso alrededor de un agujero negro, podemos usar una geometría espacial conocida. Pero con esta energía ultra intensa, la curvatura del espacio es desconocida. No podemos calcular nada significativo.
la gravedad Cuántica intenta combinar la teoría General de Einstein de la Relatividad con la mecánica cuántica…. Las correcciones cuánticas a la gravedad clásica se visualizan como diagramas de bucle, como el que se muestra aquí en blanco., Aún no se ha decidido si el espacio (o el tiempo) en sí mismo es discreto o continuo, al igual que la cuestión de si la gravedad está cuantizada en absoluto, o si las partículas, como las conocemos hoy, son fundamentales o no. Pero si esperamos una teoría fundamental del todo, debe incluir campos cuantizados.
SLAC National Accelerator Lab
a energías que son suficientemente altas, o (equivalentemente) a distancias suficientemente pequeñas o tiempos cortos, nuestras leyes actuales de la física se descomponen., La curvatura de fondo del espacio que utilizamos para realizar cálculos cuánticos no es confiable, y la relación de incertidumbre asegura que nuestra incertidumbre es mayor en magnitud que cualquier predicción que podamos hacer. La física que conocemos ya no se puede aplicar, y eso es lo que queremos decir cuando decimos que «las leyes de la física se rompen.»
pero podría haber una manera de salir de este enigma. Hay una idea que ha estado flotando durante mucho tiempo-desde Heisenberg, en realidad-que podría proporcionar una solución: tal vez hay una escala de longitud fundamentalmente mínima para el espacio mismo.,
Una representación de la plana, vacía espacio sin materia, la energía o la curvatura de cualquier tipo. Si este espacio… es fundamentalmente discreto, lo que significa que hay una escala de longitud mínima para el universo, deberíamos ser capaces de diseñar un experimento que, al menos en teoría, muestre ese comportamiento.
Amber Stuver, de su blog Living ligo
Por supuesto, una escala finita de longitud mínima crearía su propio conjunto de problemas., En la teoría de la relatividad de Einstein, puedes poner una regla imaginaria, en cualquier lugar, y parecerá acortarse en función de la velocidad a la que te muevas en relación con ella. Si el espacio fuera discreto y tuviera una escala de longitud mínima, ¡diferentes observadores — es decir, personas que se mueven a diferentes velocidades-ahora medirían una escala de longitud fundamental diferente unos de otros!
eso sugiere fuertemente que habría un marco de referencia» privilegiado», donde una velocidad particular a través del espacio tendría la longitud máxima posible, mientras que todas las demás serían más cortas., Esto implica que algo que actualmente pensamos que es fundamental, como la invariancia de Lorentz o la localidad, debe estar equivocado. Del mismo modo, el tiempo discretizado plantea grandes problemas para la Relatividad General.
Esta ilustración, de la luz que pasa a través de una dispersión de prisma y separando claramente definidos… colores, es lo que sucede cuando muchos fotones de media a alta energía golpean un cristal. Si tuviéramos que configurar esto con un solo fotón, la cantidad de movimiento del cristal podría estar en un número discreto de pasos espaciales.,’
usuario de Wikimedia Commons Spigget
aún así, puede haber una manera de probar si hay una escala de longitud más pequeña o no. Tres años antes de morir, el físico Jacob Bekenstein presentó una idea brillante para un experimento. Si pasas un solo fotón a través de un cristal, causarás que se mueva en una pequeña cantidad.
debido a que los fotones se pueden sintonizar en energía (continuamente) y los cristales pueden ser muy masivos en comparación con el momento de un fotón, podríamos detectar si el cristal se mueve en «pasos» discretos o continuamente., Con fotones de baja energía, si el espacio está cuantizado, el cristal movería un solo paso cuántico o no lo haría en absoluto.
El tejido del espacio-tiempo, ilustrado, con ondas y deformaciones debido a la masa. Sin embargo, incluso… aunque hay muchas cosas sucediendo en este espacio, no es necesario dividirlo en cuantos individuales.,
Observatorio gravitacional Europeo, Lionel BRET / EUROLIOS
en la actualidad, no hay manera de predecir lo que va a suceder en escalas de distancia que son más pequeñas que unos 10-35 metros, ni en escalas de tiempo que son más pequeñas que unos 10-43 segundos. Estos valores son establecidos por las constantes fundamentales que gobiernan nuestro universo. En el contexto de la Relatividad General y la física cuántica, no podemos ir más allá de estos límites sin sacar tonterías de nuestras ecuaciones a cambio de nuestros problemas.,
todavía puede ser el caso de que una teoría cuántica de la gravedad revele propiedades de nuestro universo más allá de estos límites, o que algunos cambios fundamentales de paradigma sobre la naturaleza del espacio y el tiempo podrían mostrarnos un nuevo camino hacia adelante. Sin embargo, si basamos nuestros cálculos en lo que sabemos hoy, no hay manera de ir por debajo de la escala de Planck en términos de distancia o tiempo. Puede que se avecine una revolución en este frente, pero las señales aún no nos han mostrado dónde ocurrirá.