“Puede ser difícil tener un sentido de la enormidad de las escalas involucradas …”
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La mayoría de nosotros podemos relacionarnos con estar preocupados por la inflación: todos estamos preocupados por el costo de vida y lo que nuestros líderes políticos están haciendo para abordarla. A veces, tengo que recordarme a mí mismo que tenemos un problema de nomenclatura en física, porque la inflación significa algo completamente diferente para nosotros.
Inflación cósmica es un modelo que explica por qué nuestro universo se ve como lo hace en las escalas más grandes. En este escenario, el espacio-tiempo se expandió rápidamente por una pequeña fracción de segundo. Esto significa que partes del universo que actualmente no tendrían ninguna forma de estar en contacto entre sí podrían haber sido así en el pasado.
Puede ser difícil tener un sentido de la enormidad de las escalas involucradas. ¿Cómo podemos estar tan seguros de que incluso entendemos estas distancias, que están mucho más allá de nuestras sensibilidades cotidianas? En el mes pasado columnaAbordé esta pregunta al explicar cómo medimos las distancias. Pero las preguntas tienen su propio tipo de inflación: responder a este enigma que engendran aún más (¡buenas!) Preguntas.
En esa columna, expliqué que una herramienta importante para medir la distancia cósmica es un fenómeno llamado desplazamiento al rojo. Piense en un globo con algunas líneas onduladas dibujadas en él. Ahora imagina que el globo está volando. Los pellizcos se extienden, con la longitud de los picos y los valles que crecen más. Esto es lo que sucede a la luz, ya que viaja a lo largo del espacio-tiempo. La luz se estira y la longitud de onda se hace más larga y, por lo tanto, más roja, de ahí el nombre.
Este estiramiento de luz nos ayuda a medir distancias. Calculamos la longitud de onda de la luz que esperamos ver de objetos distantes y comparamos eso con lo que realmente medimos. La diferencia entre los dos nos dice cuánto espacio-tiempo se ha expandido entre nosotros y el objeto que estamos viendo. Esto, a su vez, nos permite estimar la distancia. Las mediciones de desplazamiento al rojo se han validado una y otra vez por observaciones astronómicas y experimentos de laboratorio.
Pero una pregunta acecha en el fondo. Desde el punto de vista de la física cuántica, la longitud de onda de la luz corresponde a cuánta energía tiene la luz. Cuanto más azul es la luz, más enérgica. Esto significa que cuando la luz es rojo, se está convirtiendo en luz de menor energía. A primera vista, esto no es realmente molesto, solo una característica genial de la ciencia cuántica en la conversación con la cosmología.
La conservación de la energía es la regla en la física cotidiana, pero incluso las reglas cósmicas ocasionalmente se doblan o se rompen
El problema? Nos gusta que nuestra física sea consistente con otra física. Y uno de los principios de la física cotidiana es la conservación de la energía, la idea de que la energía no se puede crear o destruir, simplemente transformada. Entonces, si suponemos que la conservación de la energía se aplica a la luz de desplazamiento rojo, esto invita a la pregunta: ¿qué sucede con la energía perdida de la luz? Un lector astuto me ha hecho esta misma pregunta.
La respuesta es quizás sorprendente: la conservación de la energía es la regla, pero incluso las reglas cósmicas ocasionalmente se doblan o se rompen. En el caso de las distancias cósmicas, el principio de gobierno es la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Este concepto, que es más famoso por introducir la idea de los tiempos espaciales con la curvatura, también es por eso que podemos mostrar matemáticamente que es posible que el espacio-tiempo se expanda.
Otra característica de la relatividad general es que la energía no se conserva. En otras palabras, cuando la luz pierde energía a medida que desplaza el rojo, la teoría dice que esto realmente no importa. La energía no tiene que ir a algún lado. Puede simplemente desaparecer.
Al menos, esa es una forma de hablar de ello. Alternativamente, tenemos que dar cuenta no solo por la energía de la luz, sino también por la energía asociada con la gravedad, con la cantidad de curvatura en el espacio-tiempo. Con los años, estas dos formas aparentemente divergentes de pensar en la situación han causado muchos problemas. Hay desacuerdos genuinos sobre qué descripción es más legítima. También hay quienes los ven como dos lados de la misma moneda.
Mi opinión personal es que esto se reduce a lo que es la energía. Aunque la energía es difícil de definir, podemos tener algún sentido de lo que es y dónde se debe a objetos materiales como partículas o estrellas. Pero una vez que decimos “la curvatura del espacio-tiempo tiene energía asociada”, las cosas se ponen turbias. ¿Dónde está la energía? ¿En todas partes en el espacio-tiempo? ¿Cuánto de esa energía es en cualquier momento? Etcétera. ¡Es una pregunta inflación!
Así que me inclino a estar de acuerdo con las personas que dicen que la conservación de la energía no es un concepto útil aquí. Lo que podemos decir con confianza es que la curvatura del espacio-tiempo y la energía asociada con la materia se forman mutuamente. La moción del espacio-tiempo le dice a la materia a dónde puede ir, y la masa de la materia (que es equivalente a la energía) le dice a Space-Time cómo puede moverse.
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Chanda Prescod-Weinstein es profesora asociada de física y astronomía en la Universidad de New Hampshire. Ella es la autora del Cosmos desordenado y el próximo libro The Edge of Space-Time: Partículas, Poesía y The Cosmic Dream Boogie
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