Ondas gravitacionales y la geometría del espacio-tiempo.

Cuando se habla de nuestro universo, a menudo se dice que “la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse, y el espacio-tiempo curvo le dice a la materia cómo moverse”. Ésta es la esencia de la famosa teoría de la relatividad general de Albert Einstein y describe cómo los planetas, las estrellas y las galaxias se mueven y afectan el espacio que los rodea. Si bien la relatividad general captura muchas de las cosas grandes de nuestro universo, entra en conflicto con las cosas pequeñas de la física tal como las describe la mecánica cuántica.

para él Doctor. investigaciónSewers Heifer descubrió la gravedad en nuestro universo, y su investigación tiene implicaciones para el apasionante campo de las ondas gravitacionales y puede influir en cómo se reconcilian las físicas grandes y pequeñas en el futuro.

Hace poco más de cien años, Albert Einstein revolucionó nuestra comprensión de la gravedad con su teoría de la relatividad general.

“Según la teoría de Einstein, la gravedad no es una fuerza, sino que surge debido a la geometría del continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones, o espacio-tiempo para abreviar”, afirma Heffer. “Es esencial para el surgimiento de fenómenos maravillosos en nuestro universo, como las ondas gravitacionales”.

Los objetos masivos, como el Sol o las galaxias, distorsionan el espacio-tiempo que los rodea, y luego otros objetos se mueven a lo largo de las trayectorias más rectas posibles (conocidas como geodésicas) a través de este espacio-tiempo curvo.

Sin embargo, debido a la curvatura, estas geodésicas no son rectas en el sentido habitual. Los planetas del sistema solar, por ejemplo, describen órbitas elípticas alrededor del Sol. De esta manera, la relatividad general explica elegantemente el movimiento planetario, así como muchos otros fenómenos gravitacionales, desde situaciones cotidianas hasta los agujeros negros y el Big Bang. Como tal, sigue siendo una piedra angular de la física moderna.

Choque de teorías

Si bien la relatividad general describe una variedad de fenómenos astrofísicos, entra en conflicto con otra teoría fundamental de la física: la mecánica cuántica.

“La mecánica cuántica sugiere que las partículas (como los electrones o los muones) existen en múltiples estados al mismo tiempo para poder ser medidas u observadas”, dice Heffer. “Una vez medidos, eligen aleatoriamente un estado debido a un misterioso efecto denominado ‘colapso de la función de onda’.

En mecánica cuántica, una función de onda es una expresión matemática que describe la posición y el estado de una partícula, como un electrón. El cuadrado de la función de onda da lugar a un conjunto de probabilidades sobre dónde se encuentra la partícula. Cuanto mayor sea el cuadrado de la función de onda en un lugar determinado, más probable será que la partícula esté en ese lugar una vez que sea observada.

“Toda la materia de nuestro universo parece obedecer a las extrañas leyes probabilísticas de la mecánica cuántica”, afirma Heffer. “Lo mismo ocurre con todas las fuerzas de la naturaleza, excepto la gravedad. Esta contradicción da lugar a profundas paradojas filosóficas y matemáticas, y resolver estas paradojas es uno de los desafíos fundamentales de la física fundamental actual”.

¿Es la expansión la solución?

Un enfoque para resolver el conflicto entre la relatividad general y la mecánica cuántica es expandir el marco matemático más allá de la relatividad general.

En términos de matemáticas, la relatividad general se basa en la geometría pseudoriemanniana, un lenguaje matemático capaz de describir la mayoría de las formas típicas que puede adoptar el espacio-tiempo.

“Descubrimientos recientes sugieren que el espacio-tiempo en nuestro universo puede estar más allá del alcance de la geometría pseudo-riemanniana y sólo puede describirse mediante la geometría de Fensler, un lenguaje matemático más avanzado”, dice Heifer.

Ecuaciones de campo

Para explorar las posibilidades de la gravedad de Fensler, Heffer necesitaba analizar y resolver una ecuación de campo específica.

A los físicos les gusta describir todo lo que existe en la naturaleza en términos de campos. En física, un campo es simplemente algo que tiene valor en cada punto del espacio y del tiempo.

Un ejemplo sencillo de esto es la temperatura, por ejemplo; En cualquier momento dado, cada punto del espacio tiene una temperatura específica asociada.

Un ejemplo un poco más complejo es el de un campo electromagnético. En cualquier momento dado, el valor del campo electromagnético en un punto determinado del espacio nos indica la dirección y la magnitud de la fuerza electromagnética que experimentaría una partícula cargada, como un electrón, si estuviera ubicada en ese punto.

Cuando se trata de la geometría del espacio-tiempo mismo, también se describe mediante un campo, que es el campo gravitacional. El valor de este campo en un punto del espacio-tiempo nos dice la curvatura del espacio-tiempo en ese punto, y es esta curvatura la que se manifiesta en la gravedad.

Heffer recurrió a la ecuación del campo del vacío desarrollada por Christian Pfeiffer y Matthias N. R. Wohlfahrt, que gobierna este campo gravitacional en el espacio vacío. En otras palabras, esta ecuación describe las posibles formas que podría adoptar la geometría del espacio-tiempo en ausencia de materia.

“En una buena aproximación, esto incluye todo el espacio interestelar entre estrellas y galaxias, así como el espacio vacío que rodea objetos como el Sol y la Tierra”, explica Heffer. “Al analizar cuidadosamente la ecuación de campo, se pueden encontrar varios tipos nuevos de espacio. Se ha identificado la geometría del tiempo”.

Confirmación de ondas gravitacionales.

Un descubrimiento particularmente emocionante del trabajo de Heffer involucra una clase de geometría espacio-temporal que representa ondas gravitacionales, que son ondas en el tejido del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz y pueden ser causadas por colisiones de estrellas de neutrones o agujeros negros. Por ejemplo.

La primera detección directa de ondas gravitacionales el 14 de septiembre de 2015 marcó el comienzo de una nueva era en la astronomía, que permitirá a los científicos explorar el universo de una manera completamente nueva.

Desde entonces se han realizado muchas observaciones de ondas gravitacionales. La investigación de Heffer sugiere que todos estos son consistentes con la hipótesis de que nuestro espacio-tiempo tiene una naturaleza vensleriana.

Rasque la superficie

Si bien los resultados de Heffer son prometedores, sólo arañan la superficie de las implicaciones de la ecuación del campo gravitacional de Fensler.

“Este es todavía un campo joven y se están realizando más investigaciones en esta dirección”, dice Heifer. “Soy optimista en que nuestros resultados resultarán eficaces para profundizar nuestra comprensión de la gravedad y espero que, en última instancia, arrojen luz sobre la reconciliación de la gravedad y la mecánica cuántica”.