Las partículas elementales podrían ‘vivir’ en espacio-tiempos distintos

La teoría del Big Bang (gran explosión) señala que nuestro Universo nació hace aproximadamente 15.000 millones de años y que, nada más nacer, estaba muy caliente y contenía partículas elementales o cuánticas que convivían con masivos campos gravitatorios.

Aunque, según Wikipedia, todavía no hay ningún modelo físico que describa de manera convincente el primer segundo del universo, la teoría gravitacional de Einstein predice que en ese instante se dio una singularidad gravitacional, esto es, las densidades eran infinitas.

Durante décadas, los físicos de todo el mundo han estado tratando de establacer leyes de gravedad cuántica que pudieran explicar esta paradoja de la fase inicial de la evolución de nuestro Universo. Ahora, un grupo de investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (FUW), dirigido por el profesor Jerzy Lewandowski ‎, propone un nuevo modelo explicativo.

Gravedad y materia

Según publica la FUW en un comunicado, los análisis realizados por este investigador sobre la gravedad y la materia en el universo inicial (discutidos durante la Vigésima Conferencia Internacional sobre Relatividad y Gravitación general -GR20- celebrada en Varsovia) han mostrado que las diversas partículas elementales de nuestro universo "experimentan" diferentes espacio-tiempos.

¿Cómo se he podido inferir esto del estudio de la gravedad? Uno de los intentos de descripción de la gravedad cuántica es la llamada Gravedad Cuántica de Bucles (LQG). Formulada por Abhay Ashtekar en 1986, esta teoría señala que el espacio-tiempo es, estructuralmente, similar a un tejido: se compone de un gran número de fibras minúsculas, enredadas en bucles; una red de lazos entretejidos en una especie de espuma.

Hace tres años, Lewandowski y sus colaboradores consiguieron desarrollar un modelo matemático consistente con la LQG, en el que combinaron las teorías aparentemente incompatibles de la mecánica cuántica y la relatividad general.

El modelo establece la existencia de dos campos en interacción. Por un lado, estaría el campo gravitatorio, identificable con un espacio (ya que, según la teoría de la relatividad general, la gravedad deforma el espacio-tiempo, y este espacio-tiempo curvo da lugar a efectos gravitacionales); y, por otro lado, estaría el campo escalar‎, que asigna un valor a cada punto del espacio y que representaría el tipo más simple de materia.

Por tanto, este modelo refleja una realidad cuántica (no macroscópica) en la que gravedad y materia se combinan, con características muy diferentes a las que estamos acostumbrados a ver en el mundo cotidiano. Además, ha proporcionado claves sobre qué sucedió con el espacio-tiempo en el universo original.

Preguntando al modelo por el espacio-tiempo

¿Cómo emergió el espacio-tiempo que todos conocemos de los estados originales de la gravedad cuántica? Y, dado que el espacio-tiempo normal habría emergido como resultado de la interacción entre materia y gravedad cuántica, ¿se puede estar seguros de que cada tipo de materia interactúa con un espacio-tiempo que tiene las mismas propiedades?, se preguntaron los investigadores.

Para tratar de encontrar respuestas, en primer lugar, derivaron patrones de interacción entre los efectos de la gravedad cuántica y la materia, en dos casos matemáticamente simples: con partículas de masa cero en reposo y con partículas simples (escalares) de masa no cero en reposo.

En el Modelo Estándar que describe a las partículas elementales y sus interacciones, las partículas sin masa importantes serían los fotones; y las partículas relevantes de masa no-cero serían el famoso bosón de Higgs, responsable de la masa de otras partículas; los quarks y electrones, los muones, los taus y los neutrinos.

El espacio-tiempo se mueve con las partículas

Tras derivar las ecuaciones que representaban el comportamiento de estas partículas, en concordancia con las leyes del modelo de gravedad cuántica, los físicos comenzaron a comprobar si ecuaciones similares podrían obtenerse introduciendo un espacio-tiempo ordinario con diferentes simetrías.

Para las partículas sin masa esto resultó posible. Las matemáticas aplicadas demostraron lo siguiente: en estos casos, el espacio-tiempo fue isotrópico, esto es, presentó las mismas propiedades en todas las direcciones. "De acuerdo al modelo simplificado que investigamos, independientemente del momento o la energía del fotón, el espacio-tiempo pareció ser el mismo en todas las direcciones," explica Lewandowski.

Sin embargo, para las partículas con masa, la situación fue diferente: Los físicos de la FUW demostraron que el espacio-tiempo clásico no combinaba masa e isotropía. En el caso de las partículas con masa, la dirección preferida del espacio-tiempo fue la del movimiento de las partículas.

Andrea Dapor, colaborador de la investigación, concluye de los resultados obtenidos que: “Las partículas con masa no sólo experimentan espacio-tiempos distintos a los fotones, sino que, además, “ven” cada una su propia versión del espacio-tiempo, en función de la dirección a la que se mueven. Este hallazgo realmente nos cogió por sorpresa”.

La FUW aclara en su comunicado que estos resultados no implican que el universo tenga una “dirección temporal preferida” porque, en el mundo macroscópico, de alguna manera, el cosmos se mantendría “fuera” de lo que sucede en las partículas elementales.