Espuma cuántica y cuásares: cómo usar el universo para estudiar lo más pequeño

Qué es el espacio-tiempo y por qué tiene estas propiedades tan peculiares. Ésta es, sin duda, una de las preguntas a las que quiere hacer frente la física en el siglo XXI. Hasta hace cien años cualquiera habría dicho que es una pregunta con poca sustancia: el espacio es este lugar tridimensional por el que nos movemos y el tiempo es esa cosa un poco esotérica que miden los relojes. Y, desde luego, no tienen nada que ver el uno con el otro. Pero entonces llegó Einstein y su teoría de la relatividad, y nos dimos cuenta de que la realidad era un poco más complicada.

En el mundo relativista espacio y tiempo son, hasta cierto punto, similares: distancias que yo percibo como “en el espacio” pueden ser percibidas por otra persona como intervalos en el tiempo. La diferencia crucial entre esas dos personas es que se estén moviendo una respecto a la otra. O sea, que el movimiento nos hace ver imágenes diferentes (en el espacio) y películas diferentes (en el tiempo). La tarea de la relatividad es que todas esas descripciones de la realidad sean, al final, compatibles. En definitiva, que la realidad sea una, aunque personas distintas puedan percibir versiones un poco diferentes de ella.

Debido a esta conexión entre espacio y tiempo en física se prefiere hablar de “espacio-tiempo”, una sola entidad que luego hemos de dividir entre espacio y tiempo según cómo se mueva cada observador. Pero la relatividad aún nos dice más cosas sobre este nuevo objeto que nos acabamos de inventar: la más importante es que la gravedad se puede entender como estiramientos y contracciones de este espacio-tiempo. O sea, que el espacio-tiempo es flexible, que puede ser deformado, y más importante todavía: que esas deformaciones cambian en respuesta a las masas que se mueven a través de él. El espacio-tiempo, pues, deja de ser un escenario pasivo en el que ocurren las cosas y pasa a ser un actor, que responde y evoluciona igual que lo hace la materia. Como consecuencia de esto aparecen fenómenos como las gravitondas, cuando el espacio-tiempo vibra en respuesta al movimiento de masas lejanas, o los agujeros negros, en los que el espacio-tiempo “se rompe” porque la deformación se ha vuelto demasiado fuerte.

Todas estas cosas, por extrañas que parezcan, no son meras elucubraciones teóricas: todas están archicomprobadas en experimentos y observaciones. Son, ya entrados en el siglo XXI, hechos científicos. Pero ahora que sabemos que el espacio-tiempo hace todas estas cosas raras la pregunta es ¿por qué?

Más allá de la relatividad

En realidad ésa es una pregunta que podría no tener respuesta. La relatividad funciona: describe el movimiento, la gravedad y el espacio-tiempo donde todo esto ocurre, y eso no necesita un porqué. Pero forma parte del espíritu humano hacernos preguntas y, por fortuna, tenemos algún resquicio hacia el cual canalizar nuestra pregunta. Esos resquicios son los propios límites de la relatividad, las preguntas a las que sabemos que la teoría no da respuesta. Quizá buscando respuestas a esas preguntas aprendamos algo nuevo sobre el espacio-tiempo.

La pregunta que nos va a interesar hoy es cómo es la gravedad a distancias microscópicas. Tenemos teorías excelentes para describir el mundo microscópico, teorías que nos hablan de partículas, de cómo se crean y se destruyen, y que incluso desafían nuestra intuición con algunas de sus propiedades. Pero esas teorías fracasan a la hora de describir la gravedad generada por una partícula. En la práctica esto no es un serio problema, porque las masas de las partículas son tan pequeñas que su gravedad sólo se puede sentir muy muy cerca de la partícula, mucho más cerca de lo que cualquier experimento es capaz de llegar. Pero aun así, es irritante. La física debería ser capaz de describir las cosas, incluso las que no podemos ver todavía.

Intuitivamente, siguiendo la estela de Einstein, podríamos pensar que el campo gravitatorio de una partícula es una deformación del espacio-tiempo, pero muy pequeña, centrada en torno a la onda de la partícula. Pero si intentamos hacer eso de forma naíf nos encontramos con que la teoría explota, sólo nos da resultados sin sentido. La razón es que la relatividad y la teoría cuántica se llevan un poco mal, y no es nada fácil hacerlas funcionar al unísono.

Las teorías que intentan describir la gravedad a escalas microscópicas se llaman teorías de gravedad cuántica. A día de hoy ninguna es totalmente satisfactoria, pero sí van apareciendo una serie de rasgos comunes que empezamos a pensar que podrían formar parte de la teoría correcta.

Espacio-tiempo espumoso

Uno de esos rasgos es la existencia de una distancia mínima y un tiempo mínimo. Muchas teorías de gravedad cuántica predicen que el propio diseño del espacio-tiempo te va a impedir medir distancias por debajo de cierto valor y tiempos por debajo de cierto valor. Simplemente, no van a existir referencias para poder hacer esas medidas, porque es como si el espacio-tiempo estuviera pixelado.

A esta distancia y tiempo mínimos se los suele llamar longitud de Planck y tiempo de Planck, y son extremadamente pequeños: diez sextillonésimas de metro para la longitud (10^(-35) metros) y menos de una septillonésima de segundo para el tiempo (5×10^(-44) segundos). Para que podáis comparar, las distancias más pequeñas que se han medido en un experimento son del orden de una trillonésima de metro (10^(-18) metros) y los tiempos más cortos de un poco menos de una cuatrillonésima de segundo (10^(-25) segundos), así que estamos muy muy lejos de poder medir la distancia y la longitud de Planck, y sus valores son sólo estimaciones sacadas de las teorías.

Otra propiedad que aparece en muchas teorías de gravedad cuántica es que el espacio-tiempo se vuelve “rugoso” cuando nos acercamos a la escala de Planck. En la teoría de Einstein el espacio-tiempo es flexible, pero es un objeto esencialmente liso, deformado sólo por cosas muy grandes, como estrellas o agujeros negros. En el mundo cuántico, en cambio, ese mismo objeto flexible se ve sometido a fenómenos microscópicos aleatorios, propios de la física cuántica, y se vuelve también desordenado, turbulento. A esta posible estructura del espacio-tiempo que aparecería sólo cerca de la escala de Planck se le llama espuma cuántica.

La espuma cuántica, como la propia escala de Planck, es demasiado pequeña para ser observada directamente en experimentos en la Tierra. Pero ¿y si hubiera otra manera de acercarnos a ella, una forma no tan directa? Eso es lo que creemos que podemos hacer usando el universo y un rayo de luz.

El color de la luz

La luz se propaga por el espacio, y quizá la espuma cuántica podría dejar alguna “marca” a lo largo de ese recorrido. Por ejemplo, dos rayos de luz que recorran la misma distancia seguro que habrán pasado por espumas ligeramente diferentes: uno de ellos podría haber encontrado un recorrido un poco más largo, por ejemplo. Por puro azar, simplemente porque ha tenido la “mala suerte” de encontrarse con una espuma un poco más estirada que la que ha encontrado su compañero. ¿Qué efectos tendría esto sobre la luz?

Creemos que, esencialmente, estas diferencias producirán un cambio de color en los rayos de luz. La idea intuitiva es la siguiente: si los dos rayos de luz se encuentran por el camino con espacio-tiempos ligeramente diferentes es como si se encontraran con campos gravitatorios ligeramente diferentes. Y sabemos que los campos gravitatorios pueden afectar al color de la luz, corriéndola al rojo cuanto más intensa sea la gravedad. Si uno de los dos rayos ha pasado por una gravedad un poco más intensa… entonces será ligeramente más rojo que su compañero.

Poniendo los pies en el suelo durante un momento, en realidad no estamos seguros de si esta lógica opera en el espacio-tiempo cuántico. Como aún no tenemos una teoría de gravedad cuántica satisfactoria, hay que tomar esta predicción como un pequeño salto en el vacío. Pero no es un salto completamente insensato: sí sabemos que los campos gravitatorios afectan al color de la luz en el espacio-tiempo de Einstein, a escalas mucho mayores que la longitud de Planck. Así que si la luz que utilizamos se mantiene suficientemente lejos de la escala de Planck esta lógica debería ser aplicable. Estamos en lo que en física se llamaría el régimen semiclásico: viendo efectos de la espuma cuántica, pero usando objetos mucho más grandes que ella para verlos.

Por fortuna, la luz que sabemos producir y detectar siempre trabaja a escalas mucho mayores que la longitud de Planck. El “tamaño típico” de un fotón de luz es su longitud de onda, y las longitudes de onda de la luz son astronómicamente más grandes que la escala de Planck. Así que… quizá sí podemos usar luz para ver los efectos de la espuma cuántica. ¿Qué efectos deberíamos buscar? Pues muy sencillo: que un rayo de luz que inicialmente fuera de un solo color terminará convertido en un haz multicolor, con algunos rayos un poco más rojos que la luz inicial y otros un poco más azules. Los físicos conocen bien este efecto, que se llama ensanchamiento de la línea espectral.

Diseñada esta idea, sólo queda un problemita por resolver: aunque la espuma cuántica estuviera ahí, y efectivamente afectara al color de la luz, esos efectos serían tan increíblemente pequeños como pequeña es la longitud de Planck en comparación con la longitud de onda de la luz. O sea, astronómicamente pequeños. Y tenemos instrumentos capaces de captar diferencias de color pequeñas, pero no tan pequeñas.

Desde la otra punta del cosmos

Por fortuna, aún tenemos un as en la manga: los efectos de la espuma cuántica son acumulativos. Es decir, que si la luz recorre un kilómetro vas a ver diferencias de color mucho mayores que las que verías si recorriera un metro. Y si recorre cien kilómetros, mucho mayores aún. Así que la pregunta es: ¿de qué luz disponemos que haya recorrido distancias extremadamente grandes, tan grandes como para amplificar un número astronómicamente pequeño? La pregunta casi se responde a sí misma.

Efectivamente, en el universo hay objetos extremadamente lejanos, cuya luz nos llega después de un viaje de más de 10.000 millones de años luz. Esos objetos son los más indicados para tratar de descubrir los efectos de la espuma cuántica. Los más distantes son los cuásares: núcleos de galaxias jóvenes que albergan un gigantesco agujero negro que se está dando un gran festín. Al acumular materia a su alrededor, ésta se calienta a temperaturas de millones de grados y emite intensamente luz, rayos X y todo tipo de radiaciones. Esta emisión es tan fuerte que llega hasta nosotros a través de miles de millones de años luz.

En un artículo publicado en los últimos días, un grupo de astrofísicos británicos e italianos utilizan la luz de estos cuásares para tratar de ver los efectos de la espuma cuántica. Observan, efectivamente, que las líneas aparecen ensanchadas, pero no cantemos victoria muy rápido: en su recorrido de más de 10.000 millones de años a la luz le han podido pasar muchas cosas que tengan el mismo efecto que la espuma cuántica. Puede haber atravesado una nube de gas caliente, por ejemplo; es posible que las líneas de luz ya estuvieran ensanchadas cuando se emitieron, porque salieron de una región extremadamente turbulenta. En definitiva: no podemos decir que hayamos visto un efecto de gravedad cuántica. Pero sí hay una cosa que podemos hacer: descartar efectos de gravedad cuántica demasiado grandes.

Esto es lo que ha hecho ese grupo de investigadores: han tomado sus líneas de luz, con el ensanchamiento correspondiente, y se han preguntado ¿qué tipo de espumas cuánticas producirían un efecto mayor que éste? Como la luz está atravesando el espacio-tiempo, el efecto de la espuma cuántica (si existe) no nos lo vamos a poder quitar de encima, así que seguro que podemos descartar todos los tipos de espuma que producen un efecto mayor que el que vemos.

Con esta línea de razonamiento, y usando un cuásar cuyas líneas están especialmente limpias, los autores son capaces de decir que si la espuma cuántica tiene algún efecto sobre la luz, este efecto sólo se produce después de recorrer al menos 10 billones de longitudes de Planck. Es decir, que descartan versiones de la espuma cuántica en la que ésta afecte a la luz a cada longitud de Planck, o cada cien longitudes de Planck, porque como el efecto es aditivo tendríamos líneas mucho más anchas de lo que observamos.

Pongamos en contexto este resultado. 10 billones de longitudes de Planck puede parecer un número grande, pero en realidad sigue siendo extremadamente pequeño. En cada longitud de onda la luz recorre mil millones de veces esa distancia. ¿Qué nos dice esto sobre la espuma cuántica? Pues en realidad no mucho. Como hemos dicho, el tamaño típico de un fotón de luz, la distancia que es capaz de “ver”, es su longitud de onda. Un efecto miles de billones de veces más pequeño que su longitud de onda es infinitesimal: tiene sentido pensar que el fotón “surfeará” sobre esa espuma cuántica sin enterarse. Así que hemos descartado… lo que ya pensábamos que no iba a tener mucho efecto. Los efectos de la espuma cuántica que sí esperaríamos ver son los que ocurren a la escala de la longitud de onda del fotón. Pero, por ahora, esos efectos están enmascarados por otros fenómenos físicos que afectan a la luz de los cuásares. Es necesario buscar cuásares cuyas líneas estén muy poco ensanchadas, porque hayan atravesado nubes de gas mucho más frías, para poder tener acceso a efectos mucho más interesantes.

Así pues, ¿por qué hemos dedicado un artículo a hablar de un efecto que es, como mínimo, especulativo, y que encima no se ha conseguido observar? Bueno, porque es maravilloso que podamos hacer este tipo de física. Porque la escala de Planck es trillones más pequeña que cualquier cosa que hayamos podido medir nunca, y aun así no tiramos la toalla. Porque, si es necesario, nos iremos a la otra punta del universo para conseguir echarle un vistazo. Porque así funciona la ciencia: hoy no hemos medido la longitud de Planck, pero seguimos dándole vueltas a cómo exprimir los datos para acercarnos un poco más a ella.

QUE NO TE LA CUELEN

• La gravedad cuántica no es una teoría, sino un programa de investigación que, en última instancia, trata de conciliar la mecánica cuántica y la relatividad general. De este programa forman parte muchas teorías, como la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles, pero ninguna de ellas está suficientemente madura, y los científicos siguen tratando de refinarlas.
• Uno de los grandes problemas de la gravedad cuántica es la falta de datos experimentales. Sus efectos, sean cuales sean, son tan pequeños que no estamos logrando encontrarlos en ninguna de las observaciones que hacemos. Descubrir experimentalmente un efecto de gravedad cuántica sería revolucionario para la física, pero eso no ha ocurrido todavía.

REFERENCIAS

• Ryan Cooke et al. A limit on Planck-scale froth with ESPRESSO. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 494, is. 4, pp. 4884–4890 (2020)
• Giovanni Amelino-Camelia. Quantum-Spacetime Phenomenology. Living Reviews in Relativity, vol. 16, article nº 5 (2013)
• Luis J. Garay. Quantum gravity and minimum length. International Journal of Modern Physics A, vol. 10, nº 02, pp. 145-165 (1995)