La mecánica cuántica y la relatividad general, dos de los pilares fundamentales de la física moderna, son completamente incompatibles. Hoy os queremos dar unas pinceladas del porqué.
Empecemos con un poco de mecánica cuántica. En esta rama de la física tenemos el principio de incertidumbre, es decir, la imposibilidad de medir con tanta precisión como queramos la posición y el momento de una partícula. La medida de una variable influye sobre la otra.
Esto en mecánica cuántica sucede con bastantes parejas de observables, como el momento angular en los diferentes ejes, o el caso que hoy nos ocupa que es la indeterminación entre la energía y el tiempo.
Para explicarlo de una forma simple, medir la energía lleva tiempo. Si se dedica una gran cantidad de tiempo para medir la energía de una zona del espacio la obtendremos con una gran precisión. Si se le dedica poco tiempo la medida será imperfecta.
Se necesita un tiempo mínimo para realizar una medida precisa, y esto puede tener como consecuencia la creación de pares partícula-antipartícula.
Supongamos una región del espacio completamente vacía. Por lógica, la energía de esta zona será cero, pues no tiene nada. Esto, entra en conflicto con la mecánica cuántica, pues tendríamos una precisión infinita en esta medida. Y lo es… Si mides durante el tiempo suficiente.
Al final, en promedio siempre medirás una energía nula. Pero, el diablo está en los detalles.
En un período de tiempo lo suficientemente breve, esta energía no está tan clara como a priori podríamos pensar, podría ser que esa región del espacio pida energía prestada y cree un par partícula-antipartícula.
Esta energía prestada se devuelve de forma inmediata al medio cuando el par partícula-antipartícula se destruyen entre sí. Con lo cual, esta clara violación de la conservación de la energía desaparece si miras el tiempo suficiente.
Pero, en escalas temporales lo suficientemente bajas la indeterminación de la energía puede dar pie a este extraño suceso. Puede parecer irrelevante, pero le hace un destrozo a nuestra amiga la relatividad general.
Einstein describió un Universo geométrico, para él, todas las piezas encajaban de una forma perfecta. Estaba convencido de que su teoría de la relatividad tenía que ser correcta porque algo tan bello no podía estar equivocado.
Y acertó… Hasta que alguien dijo ¿Y qué hacemos con la catástrofe ultravioleta? Entre otros problemas similares. La mecánica cuántica empezó a surgir rompiendo la belleza del Universo de Einstein. Sobra decir que esto no le gustó ni un poco.
La relatividad general se basa en métricas que describen un espacio-tiempo perfecto y funciona a escalas grandes, en esas escalas en las cuales la mecánica cuántica no tiene gran cosa que decir.
Pero todo lo perfeccionista que es la relatividad choca con la locura cuántica en las escalas más pequeñas, puesto que está creación de pares destroza las maravillosas métricas de la relatividad general, haciéndola inservible.
La parte positiva de esto es que, aunque no se llevan bien, nunca tienen que verse. La relatividad general suele ser relevante cuando tenemos masas muy grandes, y las partículas no la tienen. Sin embargo, sí que hay dos casos donde se ven obligadas a encontrarse.
En lo más profundo de un agujero negro y en el momento del Big Bang. Dos casos donde hay una enorme cantidad de materia en un espacio ínfimo. Dos casos que no podemos explicar con nuestra física, pues no se puede aplicar aquí.
Nos encontramos con que dos de los pilares fundamentales de la física moderna son completamente incompatibles. Así que una de dos, o el Universo es incomprensible o hay algo que se nos está escapando.
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