Cómo medir la espuma cuántica con un experimento de mesa

Uno de los rompecabezas centrales del espacio-tiempo es su estructura en la escala más pequeña.

Las ecuaciones de la relatividad general son suaves, incluso en las escalas más pequeñas. Pero a principios de la década de 1960, el físico estadounidense John Wheeler señaló que en la mecánica cuántica, las propiedades ordinarias del espacio-tiempo, como la posición, el momento, etc., tienen una incertidumbre asociada. Eso implica que spacetme también debe ser incierto. Wheeler lo describió como espuma cuántica.

A los físicos les encantaría estudiar esta espuma, pero hay un problema. El espacio-tiempo solo se vuelve como una espuma en la escala más pequeña, en las llamadas longitudes de Planck de 10 ^ -35 metros más o menos.

Probar esa distancia es obviamente difícil. Una forma de hacerlo es acelerando las partículas a energías enormes, lo que permite a los físicos determinar su posición con precisión, probando así volúmenes muy pequeños de espacio.

Pero las energías requeridas son de alrededor de 10 ^ 19 GeV, muchos órdenes de magnitud más altas que los aceleradores de partículas actuales. No hay probabilidad de alcanzar esta energía en la Tierra en un futuro previsible, por lo que los físicos están más o menos resignados a la idea de que nunca tendrán en sus manos la espuma cuántica.

Pueden cambiar hoy gracias a una fascinante idea de Jacob Bekenstein, físico de la Universidad Hebrea de Jerusalén en Israel. Bekenstein dice que ha encontrado una forma de medir la estructura del espacio-tiempo en la escala de Planck usando un experimento simple que involucra poco más que un bloque de vidrio y un láser.

En esencia, el experimento es sencillo. El objetivo de Bekenstein es mover el bloque una distancia que sea aproximadamente igual a la longitud de Planck. Su método es simple: golpear el bloque con un solo fotón.

El fotón lleva una pequeña cantidad de momento y, en consecuencia, empuja el bloque al entrar en el vidrio, dándole algo de impulso. Cuando el fotón abandona el bloque, el bloque se detiene.

Entonces, el resultado del paso del fotón es que mueve el bloque una pequeña distancia.

La idea de Bekenstein es que si esta distancia es menor que la longitud de Planck, entonces el bloque no se puede mover y el fotón no puede atravesarlo.

Entonces, el experimento implica medir la cantidad de fotones que pasan a través del bloque. Si el número es menor que el predicho por la óptica clásica, eso prueba la existencia de espuma cuántica.

De hecho, al cambiar el impulso impartido por los fotones, los físicos deberían poder medir la escala a la que se activan los efectos de la espuma cuántica y quizás también cuantificarla de otras formas.

La belleza de este experimento es que evita todos los problemas habituales de sondear escalas de longitud pequeña utilizando partículas cuánticas que experimentan incertidumbre en su posición.

En cambio, el experimento de Bekenstein se basa en la conservación del impulso y el cambio de posición del centro de masa de un bloque macroscópico de vidrio. Demuestra que esto no viola el principio de incertidumbre. De hecho, la única medición involucrada es un conteo de fotones sencillo.

Lo mejor de todo es que este experimento no requiere ningún dispositivo más exótico que un láser y un refrigerador (el bloque debe enfriarse hasta casi cero para minimizar las perturbaciones térmicas). Nada al respecto está más allá del estado del arte. De hecho, la prueba podría realizarse hoy en una mesa en un laboratorio bien equipado.

Eso no quiere decir que sea fácil. Bekenstein es un gran queso en el mundo de la física teórica, pero sus colegas querrán estar seguros de que su argumento es hermético antes de embarcarse en un experimento de este tipo.

Si es así, entonces el experimento de mesa de Bekenstein podría estar en funcionamiento en un futuro muy cercano y ofrecer el primer atisbo potencial de espuma cuántica.

Por supuesto, el hecho de no encontrar espuma cuántica también sería interesante. El pensamiento más reciente es que la gravedad es un fenómeno emergente a través de una especie de proceso termodinámico. Esto no requiere espuma cuántica.

Por lo tanto, la falla en la detección de la espuma cuántica, aunque no es una prueba de las teorías de la gravedad emergente, también sería un descubrimiento enormemente interesante.

De cualquier manera, los físicos podrían divertirse con esto.

Ref: arxiv.org/abs/1211.3816 : ¿Es factible una búsqueda de mesa para señales de escala de Planck?

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