El nuevo límite máximo de escala para la espuma espaciotemporal sacude las teorías de gravedad cuántica.

La teoría general de la relatividad (TGR) de Einstein asume que el espaciotiempo es algo liso, continuo. Sin embargo, la teoría cuántica sugiere que el espaciotiempo debería ser una especie de espuma a las escalas más pequeñas. Un trabajo publicado por el equipo de Philippe Laurent, de la Universidad París-Diderot, en Physical Review D [1] establece un nuevo límite máximo a la escala (tamaño) que puede tener esa espuma que es 4 órdenes de magnitud más pequeño que el establecido hasta ahora. La pregunta que este resultado suscita es: ¿Existirá realmente la espuma cuántica? Y a colación, ¿hay alguna teoría del todo que se acerque a la hipótesis de un espaciotiempo liso? Pero vamos por partes.

Analicemos primero el carácter de esta espuma cuántica, un concepto que creó John Wheeler en 1955. A las escalas tan pequeñas que estamos hablando el principio de incertidumbre permite que haya partículas que pasen a existir para luego aniquilarse, sin que se violen las leyes de conservación. En este fenómeno es en el que se basa la radiación de Hawking de los agujeros negros, pero ese es otro tema. Lo importante es que conforme hacemos más pequeño el tiempo y el espacio considerado la energía de las partículas aumenta. Pero sabemos por la TER que masa y energía son equivalentes y por la TGR que la masa deforma el espaciotiempo, por lo tanto, a niveles de la escala de Planck (10^-35 m) la distorsión espaciotemporal debe ser de suficiente magnitud como para retorcer el espaciotiempo. Es como si donde tenemos una monocapa de jabón nos ponemos a revolver el agua, el jabón termina formando espuma jabonosa: el espaciotiempo, revuelto por los efectos cuánticos, forma una espuma espaciotemporal. Ahora bien, esto es teoría. ¿Existe alguna forma de medir su existencia? Para eso se emplean los efectos que la espuma tendría sobre el desplazamiento de los fotones.

Un punto clave de la teoría especial de la relatividad (TER) es la denominada invarianza de Lorentz, es decir, el postulado de que todos los obsevadores miden exactamente la misma velocidad de la luz en el vacío, independientemente de la energía que tenga el fotón. El asumir que el espaciotiempo es liso, como decíamos arriba que asumía la TGR, es equivalente a decir que no existe una escala de longitudes que se asocie a esta invarianza. Pero hemos visto que la teoría cuántica afirma que a la escala de Planck (10^{-35 m}) los efectos cuánticos afectan gravemente a la naturaleza del espacio tiempo. Lo que se traduce en distorsiones del espacio que afectarían a cómo se mueven los fotones, tanto a su velocidad como a los planos en los que vibran sus ondas asociadas.

Un resultado anterior obtenido con Fermi en 2009 por Abdo et al. [2] no detectó violaciones de la invarianza a niveles de la escala de Planck, es decir no encontró el fenómeno esperado de una alteración de la velocidad de los fotones. Este fue el primero de una serie de datos que ya pesaban gravemente en contra de las teorías de la gravitación cuántica que incluyen la hipótesis de Wheeler y habían establecido un límite superior de 10^-44 m. Ahora Laurent et al. van un paso más allá, usando los datos tomados por INTEGRAL.

Como apuntábamos más arriba uno de los efectos que sobre los fotones puede tener la espuma cuántica es el de alterar los planos de vibración, lo que conocemos como polarización. Cuanta más energía tengan los fotones más evidente será el efecto, igual que a mayor distancia recorrida también será más evidente. Por ello las mediciones deben realizarse usando observaciones astronómicas de rayos gamma con un origen lo más lejano posible.

El equipo de investigadores usó datos recogidos por INTEGRAL durante el brote de rayos gamma más potente del que se tiene noticia para medir la diferencia de polarización de los rayos gamma de alta y baja energía. GRB 041219A, que tuvo lugar el 19 de diciembre de 2004 y se originó al menos a 300 millones de años luz, fue lo suficientemente brillante como para permitir una medición de la polarización lo suficientemente precisa. Los investigadores no encontraron nada de nada dentro de los límites de los datos.

Este resultado implica que, si existe la espuma cuántica, lo debe hacer a escalas iguales o inferiores a 10^-48 m y viene a descartar algunas de las versiones de la teoría de cuerdas y deja muy mal parada a la teoría de la gravedad cuántica de bucles. ¿Tendría razón Einstein y el espaciotiempo es liso? Más trabajo para los teóricos.




Referencias:

[1] Laurent, P., Götz, D., Binétruy, P., Covino, S., & Fernandez-Soto, A. (2011). Constraints on Lorentz Invariance Violation using integral/IBIS observations of GRB041219A Physical Review D, 83 (12) DOI: 10.1103/PhysRevD.83.121301

[2] Abdo, A., et al. (2009). A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects Nature, 462 (7271), 331-334 DOI: 10.1038/nature08574