Geometría no conmutativa, espacio-tiempo espuma, fractales y hologramas La de Barbour no es la única cosmología de la eternidad. En las Redes Causales, como en los trabajos de Penrose y Sorkin, el espacio-tiempo se describe mediante una serie de eventos discretos en la que únicamente se especifica qué elementos preceden causalmente a otros.
Penrose reflexiona también sobre los valores que se le dan al momento angular en la Mecánica Cuántica. “¿Por qué decimos que un electrón tiene espín arriba o abajo, en vez de derecha o izquierda?”. Sólo sabemos que el espín de un electrón puede tomar dos valores distintos: ½ o -½. Asimilarlos a una dirección en el espacio carece de sentido. Cuando construimos una estructura a partir de partículas elementales, podemos calcular su momento angular total. Si trasladamos un electrón de una estructura a otra, podemos calcular la probabilidad de que la segunda estructura incremente o disminuya su momento angular en el ½ aportado por el nuevo electrón. Penrose interpreta esta probabilidad como el coseno del ángulo que forman las dos estructuras.
Si un electrón que está contribuyendo con momento angular positivo en su estructura origen tiene 100% de probabilidad de aportar momento positivo una vez transferido, entonces las dos estructuras son exactamente paralelas. Si siempre contribuye en sentido opuesto entonces son antiparalelas. Valores intermedios de probabilidad nos darían ángulos intermedios. Estas probabilidades son discretas, pero cuando las estructuras aumentan en complejidad el número de valores que puede tomar, la probabilidad aumenta. En el límite, da origen a un continuo de direcciones.
Las Redes de Espín no consideran el tiempo, pero Penrose las generalizó a un espacio-tiempo de cuatro dimensiones en su Teoría de Twistores. En esta teoría, las unidades básicas son los rayos de luz, ya que un fotón existe simultáneamente en todos los puntos atravesados en su trayectoria debido a la deformación relativista del tiempo.
En todos los modelos presentados hasta ahora se asume que la distancia de A a B es necesariamente la misma que de B a A. La geometría no conmutativa prueba a relajar esta condición y a aplicar la geometría no conmutativa al espacio. Alain Connes, un matemático francés, trabaja en explorar las posibilidades de esta concepción del espacio. Recordando a Demócrito y sus átomos (en la que los distintos elementos se distinguían por sus formas diferentes) propone que quizá la materia sea una manifestación de la estructura profunda del espacio-tiempo.
El tiempo como espuma Ya hemos mencionado que la suposición de continuidad para el espacio-tiempo puede ser la causa de que no hayamos encontrado aún la Gravedad Cuántica. Sabemos de la Mecánica Cuántica que las distancias menores que la longitud de Plank carecen de sentido físico. El espacio-tiempo podría estar basado en una especie de espuma (como lo expresó John Wheeler), y su escala fundamental podría ser borrosa. Shahn Majid estudia las consecuencias que tendría esta descripción de la realidad. En particular, la teoría de Majid predice que la velocidad de la luz debería variar ligeramente con la frecuencia. Ya se están realizando experimentos para detectar estas desviaciones mínimas en la luz emitida por supernovas distantes utilizando el telescopio LISA.
Tim Palmer propuso una nueva interpretación de la Mecánica Cuántica en la que las probabilidades aparecen como consecuencia de la complejidad intrínseca de la estructura del espacio. Para él la realidad profunda debería ser descrita como un fractal. Su idea principal puede explicarse con la analogía de recibir las coordenadas de un punto en una costa de perfil intrincado. No seríamos capaces de saber con seguridad si el punto pertenece a la tierra o al mar, sino una probabilidad. Palmer sostiene que las probabilidades que encontramos en la Mecánica Cuántica se derivan de un fenómeno similar.
También se ha propuesto que toda la información contenida en el universo está codificada en su frontera. Este holograma cósmico encerraría en una superficie bidimensional la realidad tridimensional completa. Si el espacio es discreto, significaría que para que la superficie pudiera contener toda la información, el interior debería ser mucho más borroso. Craig Hogan cree que esta falta de definición puede estar detrás del ruido, por ahora inexplicado, que está perturbando el experimento GEO600 en Hannover, diseñado para detectar ondas gravitacionales.
Una intrigante posibilidad De acuerdo con Barbour, podemos describir nuestra realidad sin referirnos al tiempo. Él toma este hecho como evidencia de que la naturaleza del tiempo es ilusoria. Sin embargo, incluso si su descripción es completamente consistente con las observaciones, esto no prueba que el tiempo no existe. Sólo prueba que es matemáticamente posible hacer Física sin tiempo, lo cual es una conclusión completamente diferente.
Como ya tenemos una Física basada en el tiempo, esto querría decir que tenemos dos modelos distintos que funcionan igualmente bien. En la Teoría de Campos Cuánticos nos encontramos también con dos modelos, formulados sobre espacio-tiempos diferentes, que dan resultados equivalentes. ¿Es posible que descripciones distintas del espacio y el tiempo nos proporcionen predicciones igualmente correctas?
Poincaré señaló el hecho de que nuestros sentidos no pueden percibir directamente la geometría del espacio. El espacio geométrico, el verdadero marco de nuestras experiencias, es distinto del espacio de representación que inferimos de nuestros sentidos.
Para empezar, la experiencia de la visión es un fenómeno puramente bidimensional. Sin embargo, tomamos la información de nuestras retinas y del resto de nuestras percepciones y cómo estas varían con el movimiento y los combinamos para formar el espacio de representación tridimensional.
Como resultado, ‘’Es también imposible representarnos los objetos externos en el espacio geométrico, así como imposible es para un pintor dibujar en una superficie plana los objetos con sus tres dimensiones. El espacio de representación es sólo una imagen del espacio geométrico, una imagen deformada por cierta perspectiva, y sólo podemos representarnos los objetos haciéndolos obedecer las leyes de esta perspectiva”.
El tiempo como convención Poincaré propone un experimento mental en el que consideramos un mundo contenido en una esfera en el que todos los cuerpos tienen el mismo coeficiente de dilatación, así que la longitud de cualquier objeto es proporcional a su temperatura absoluta. La temperatura de este mundo disminuye con la distancia al centro según la fórmula R2 – r2, así que en su frontera la temperatura es el cero absoluto. Incluso aunque este universo es finito, para sus habitantes es de hecho infinito ya que se vuelven más y más pequeños al aproximarse a la frontera. Estos seres imaginarios estudiarían la física de su mundo, completamente inconscientes de las dilataciones térmicas. Cuando se mueven, experimentan una contracción en sus miembros en la dirección de la frontera. Sin embargo, esta deformación se consideraría una serie de perspectiva, con lo que sus sentidos se ajustarían para corregirla.
Poincaré señala que “sería un error concluir que la geometría es, ni tan siquiera en parte, una ciencia experimental. Si fuera experimental, sólo sería aproximada y provisional. ¡Y qué burda aproximación sería! La geometría consistiría únicamente en el estudio de los movimientos de los cuerpos sólidos, pero en realidad no le atañen los sólidos naturales: su objeto son los sólidos ideales’’. Finalmente argumenta que la experimentación puede guiarnos, pero no impone ninguna elección de geometría ni puede revelarnos cuál es la más apropiada, la verdadera.
Es imposible medir una distancia sin una regla, o sin la posibilidad de desplazar la regla, ya que sólo podemos comparar objetos yuxtapuestos. Asumimos que la regla se mantiene constante durante el proceso. Éstos son los supuestos que dan forma a la geometría que encontramos. Podríamos encontrar una solución distinta si tomásemos otras hipótesis. Por ejemplo, si en vez de asumir que las reglas no se distorsionan, asumimos que la velocidad de la luz es constante, encontramos la geometría relativista.
Es posible que el espacio y el tiempo no tengan otra naturaleza que la que les asignemos por convención. Parece que podemos encontrar teorías igualmente válidas basadas en supuestos muy diferentes. Esto puede indicar que su realidad fundamental no existe independientemente de la experiencia que los asume, en una interdependencia inevitable. También podría ser que su naturaleza más básica no pudiera expresarse matemáticamente y sólo pudiéramos encontrar aproximaciones. O, finalmente, podría significar que la naturaleza puede describirse de varias maneras distintas. Los diferentes modelos que funcionen con éxito deberían ser entendidos como descripciones de la misma realidad, pese a sus diferentes expresiones.
Sara Lumbreras Sancho, de JP Morgan en Londres, es ingeniero del ICAI y colaboradora de laCátedra CTR BIBLIOGRAFÍA ARISTOTLE: “Physics“ , from Joe Sachs, Aristotle's Physics: A Guided Study ( 1995).
BARBOUR 1999: “The End of Time”
BOHETIUS 524: “Consolation of Philosophy”
BOHM 1952: “A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of Hidden Variables“
CONNES 2008: “On the fine structure of space-time“
KANT 1781: “Critique of Pure Reason”
HOGAN 2008: “Indeterminacy of holographic quantum geometry“
MAJID 2008: “Quantum space-time and physical reality”
NICKEL 2006: “The Mathematical Theory of Motion as a Paradigm for Interpolating Change and Continuity”
PALMER 2009: “The invariant set postulate: a new geometric framework for the foundations of Quantum Theory and the role played by Gravity“
PENROSE 1971: “Angular momentum: an approach to combinatorial space-time”
PENROSE 2009: “Causality, Quantum Theory and Cosmology“
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