Entender en toda su complejidad qué son el espacio y el tiempo no es fácil. No lo decimos nosotros; lo dice Álvaro de Rújula, un prestigioso físico de partículas que, entre muchos otros logros, ha dado clase en Harvard y ha liderado la división de física teórica del CERN. Incluso tuvo la oportunidad de viajar en el tiempo para hablar cara a cara con Albert Einstein (en la ficción y con mucha gracia, claro).
"El espacio y el tiempo son tan fundamentales que podemos hablar de ellos, pero sin llegar a identificar con la máxima precisión qué son en realidad. Podríamos asimilar el espacio a una especie de conjunto de fichas de dominó, de manera que podemos pegar unas a otras en un plano y después colocar otro plano encima construido de la misma manera. Obviamente el espacio realmente no es así, pero este símil puede ayudarnos a entender de alguna forma su naturaleza", puntualiza Álvaro.
"En cualquier caso, lo primero que podemos hacer es intentar entender la relación que existe entre el espacio y el tiempo. Si tenemos un espacio plano y en él hay dos hormigas podemos dibujarlas en un cierto instante del tiempo, y luego en un instante posterior podemos dibujar un plano encima con las mismas dos hormigas, pero colocadas en posiciones diferentes. De esta forma podríamos construir una especie de sándwich en el que el espacio discurre en la dirección horizontal de mi dibujo, y el tiempo en la vertical", nos explica el exdirector de física teórica del CERN.
Antes de seguir adelante, y como preludio a la historia en la que estamos a punto de indagar, merece la pena que recordemos que la velocidad de la luz es absoluta. Para encajar esta idea Einstein decidió modificar en su teoría el concepto del tiempo, demostrando que su ritmo depende del estado de movimiento de un objeto, pero también de si estás en un campo gravitacional intenso. Lo explicamos con más detalle en nuestro artículo dedicado a la física de los viajes en el tiempo, pero lo realmente importante es que ya tenemos las herramientas que necesitamos para seguir adelante.
Un espacio-tiempo curvo dentro de un laboratorio. No hay un juguete mejor
Un grupo de investigadores de la Universidad de Heidelberg, en Alemania, logró recrear el año pasado en su laboratorio un espacio-tiempo efectivo que puede ser manipulado de una forma flexible para simular una familia de universos curvados. Suena increíble. Tanto, de hecho, que parece el hilo argumental de una película de ciencia ficción. Pero no lo es. Es real. De hecho, su experimento fue revisado por pares y publicado en Nature.
Los modelos cosmológicos con los que trabajan los físicos actualmente se preguntan acerca de la forma en que el espacio se ha expandido y ha modificado su curvatura
En los primeros párrafos de este artículo hemos repasado varias ideas importantes, y una de ellas expone que el espacio y el tiempo están íntimamente conectados, así como que su estructura es fija. Este conocimiento sirvió como punto de partida a estos científicos para diseñar un experimento que les permitiera entender mejor la interacción entre la materia y el continuo espacio-tiempo, y también para poner a prueba las predicciones de la teoría cuántica de campos.
A grandes rasgos este último modelo teórico propone utilizar la mecánica cuántica, la teoría de campos clásica y la relatividad especial para describir los sistemas clásicos de campos, como, por ejemplo, los campos gravitatorio o electromagnético. Los modelos cosmológicos con los que trabajan los físicos actualmente se preguntan acerca de la forma en que el espacio se ha expandido y ha modificado su curvatura. Y, precisamente, el experimento de estos investigadores puede ayudarnos a entender mejor cómo ha sido la evolución de un espacio-tiempo que en una fase muy temprana pudo ser curvo.
Hasta ahora nos hemos podido formar una idea relativamente certera acerca del propósito de estos investigadores, pero aún nos falta indagar en algo importante: ¿cómo lo hicieron? ¿Cómo simularon en un laboratorio varios universos curvos con el propósito de coquetear con otros tantos escenarios cosmológicos diferentes? Para curvar el continuo espacio-tiempo de una forma fácilmente perceptible necesitamos masas enormes, como la de una estrella, o bien energías casi inconcebibles. Y es evidente que estos físicos no tenían ni masas enormes ni energías descomunales.
En este experimento la forma de la nube de átomos de potasio determina las dimensiones y las propiedades de un continuo espacio-tiempo en particular
Pero lo que sí tenían era un simulador cuántico de campos que pusieron a punto enfriando una nube de átomos de potasio hasta reducir su temperatura a solo unos pocos nanokelvins por encima del cero absoluto. Esta estrategia les permitió obtener un condensado de Bose-Einstein, que, sin entrar en los detalles más complicados, es un estado de la materia especial cuyas propiedades delatan con claridad incluso las más leves perturbaciones de energía a las que se ven sometidos los átomos de la nube.
En este experimento la forma de la nube de átomos de potasio determina las dimensiones y las propiedades de un continuo espacio-tiempo en particular a través del que se propagan las perturbaciones de energía de los átomos bajo la forma de ondas. Además, los investigadores lograron actuar sobre las interacciones entre los átomos ajustando con precisión la intensidad del campo magnético que los confina, por lo que, de alguna forma, consiguieron poner a punto un escenario de test muy dúctil. Es apasionante. Su artículo es complejo, pero si no os dejáis intimidar fácilmente y queréis conocer con más precisión en qué consistió su experimento, no dudéis en consultarlo.
En Xataka | La física de los viajes en el tiempo explicada por dos de los mejores físicos teóricos
Imagen de portada | ThisIsEngineering
Más información | Nature
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