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¿El espacio-tiempo es discreto o continuo?

¿El espacio-tiempo es continuo o discreto? O mejor, ¿el espaciotiempo cuatridimensional de la relatividad general es discreto o continuo? ¿Y si consideramos dimensiones adicionales como las que plantea la teoría de cuerdas? ¿Son esas dimensiones adicionales compactas discretas o continuas?

¿Existen pruebas experimentales de continuidad/discrepancia?

Cuando las partículas se mueven dentro del espacio, ¿ocupan el espaciotiempo por trozos pequeños? ¿Qué implicaría que el espaciotiempo fuera discreto en las teorías continuas?

He encontrado poca información en la web y en los libros.

Probablemente mi pregunta está mal planteada y pido disculpas por ello.

51voto

ray023 Puntos 146

¿el espaciotiempo cuatridimensional de la relatividad general es discreto o continuo?

En la definición habitual de la relatividad general, el espaciotiempo es continuo. Sin embargo, la relatividad general es una teoría clásica y no tiene en cuenta los efectos cuánticos. Se espera que esos efectos aparezcan a distancias muy cortas, que es donde su pregunta es pertinente.

¿Existen pruebas experimentales de continuidad/discrepancia?

Todas las pruebas experimentales apuntan a un espacio continuo, hasta las distancias más cortas en las que hemos podido medir . No sabemos qué ocurre a distancias más cortas. Tampoco tenemos ninguna prueba experimental directa de que la gravedad sea una teoría cuántica, con la misma advertencia.

Por otra parte, estamos bastante seguros de que una teoría completa de la naturaleza debe incluir la gravedad cuántica y no sólo la clásica. Además, tenemos una idea aproximada de la escala de distancia a la que los efectos cuánticos deberían ser medibles: se trata de la longitud de Planck, aproximadamente $10^{-33}$ cm. Esto es mucho más corto que la distancia más corta a la que podemos realizar experimentos, así que al menos no nos sorprende que no hayamos visto ningún efecto de este tipo hasta ahora.

Antes de continuar, una advertencia más. Hay un experimento astrofísico interesante y bastante reciente que demostró que la simetría de Lorentz se mantiene incluso por debajo de la longitud de Planck. Si la simetría de Lorentz se rompe, generalmente significa que los fotones con diferentes energías viajarán a diferentes velocidades. En el experimento, lograron detectar un par de fotones que se crearon casi al mismo tiempo pero que tenían energías muy diferentes. Llegaron al detector casi simultáneamente, lo que significa que sus velocidades eran similares. Como los fotones recorrieron una enorme distancia antes de llegar a nosotros, debieron tener casi la misma velocidad.

Así que sabemos que al menos la simetría de Lorentz se mantiene a distancias muy cortas, y parece difícil conciliar este hecho experimental con un espaciotiempo discreto. Así que, al menos ingenuamente, parece que esto es una prueba contra la discreción.

¿El espacio-tiempo es continuo o discreto?

A grandes distancias, el espacio-tiempo puede considerarse ciertamente continuo. A distancias cortas, la respuesta corta es: no lo sabemos.

La teoría de cuerdas es la única teoría consistente de la gravedad cuántica que conocemos, en la que podemos calcular las cosas con cierta confianza. (Probablemente oirán algunas opiniones que contradigan esta afirmación, mencionando la gravedad cuántica de bucles, los conjuntos causales, etc., que no están relacionados con la teoría de cuerdas, pero lo que he dicho es la opinión común en la comunidad de teóricos de la alta energía). La teoría de cuerdas nos está dando algunos indicios fuertes de que tal vez el espaciotiempo a distancias cortas no es continuo o discreto, sino algo más que aún no entendemos.

Así que la situación es que incluso teóricamente, sin hablar de experimentos reales que comprueben la teoría, no sabemos cómo es el espaciotiempo a distancias cortas. Quizás por eso no se ve mencionar mucho esta cuestión. Mi conjetura personal es que el espaciotiempo a distancias cortas no es ni continuo ni discreto, sino que tiene una naturaleza diferente que puede requerir nuevas herramientas matemáticas para describirlo.

O mejor, ¿qué pasa si consideramos dimensiones adicionales como la teoría de las cuerdas hipotetiza? ¿Son esas dimensiones adicionales compactas discretas o continuas?

Añadir dimensiones adicionales no cambia nada de lo anterior.

19voto

user128779 Puntos 177

Existe un argumento conocido como El argumento de la baldosa de Weyl que no es física sino filosofía, implica unas matemáticas realmente fáciles y accesibles para los profanos como yo. Aun así, estoy tentado de poner esto aquí ya que responde a tu pregunta aunque probablemente no pertenezca a un foro de física.

En un espacio discreto, digamos un espacio cuadrado/rectangular en mosaico, (por comodidad) empezamos construyendo dos lados de un triángulo, cada uno de 1 unidad de longitud . Para atravesar la hipotenusa desde cualquiera de los dos puntos, tenemos que mover una unidad de longitud hacia la derecha (o hacia la izquierda) y una unidad de longitud hacia abajo (o hacia arriba).

C

Digamos que AC se recorre en 2 pasos, A-D, D-C tenemos una longitud de 2 unidades a lo largo de AC en el espacio embaldosado.

Supongamos que seguimos aumentando el número de pasos dados desde A hasta C y disminuyendo el tamaño de la unidad de longitud, el camino a lo largo de AC se vería así : n=1/16

La longitud a lo largo del camino en zigzag por encima de AC sigue siendo mayor que la longitud de la hipotenusa por un factor de √2, ¡que era el mismo factor cuando utilizábamos una unidad de espacio mucho mayor y sólo 2 pasos (n=2) para atravesar la hipotenusa!

Esto es esencialmente el argumento de la baldosa de Weyl

el primer resultado no converge al segundo para valores arbitrarios de n, se puede examinar la diferencia porcentual entre los dos resultados: (n√2 - n)⁄n√2 = 1-1⁄√2. Como n se anula, los dos resultados nunca convergen, ni siquiera en el límite de n grande.

Esto nos dice que por muy pequeña que sea la unidad de longitud que tomemos, ni siquiera una longitud infinitesimal, se aproximaría al teorema de Pitágoras en un espacio discreto. Resulta que es cierto debido a la simple observación de que hay que poder viajar a través del espacio en cualquier dirección, que es, en este ejemplo, 1/2 a la derecha y 1/2 hacia abajo (45°) simultáneamente para una unidad , y no una unidad hacia la derecha entonces una unidad hacia abajo, que es lo que ocurre si discretizamos la longitud. Para que el teorema de Pitágoras funcione, una longitud fija medida en una dirección no debe variar cuando se mide en otra dirección. Esto se conoce como isotropía del espacio, que es una propiedad del continuo. Los modelos discretos con estructuras diferentes a la rectangular también pueden refutarse con el mismo argumento.

En cierto sentido, este argumento no cae en las afirmaciones infalsificables de que existe la discreción, pero más allá de nuestras capacidades de observación experimental. No importa lo pequeños que sean los "granos" o "píxeles".

Toma 3 palos, dos de ellos con una longitud de 1 metro y uno de aproximadamente 1,414 metros, todos ellos medidos a lo largo de un eje común. Intenta hacer un triángulo rectángulo, si la hipotenusa no llega a completar el triángulo o después de alguna rotación, se extiende más allá de él, (je) estás en un universo con espacio discreto.

Sobre el tiempo

La propia relatividad sólo observa realmente que hay "movimiento", y "supone" que hay "tiempo".

Si, por ejemplo, digo "El autobús llega aquí a las 9", implícitamente quiero decir que el señalamiento de la manecilla pequeña de mi reloj a las 9 y la llegada del autobús son eventos simultáneos

Esto parece perfectamente aceptable, a menos que te des cuenta de que estamos comparando las coordenadas (ubicación) de una cosa con una cosa llamada "tiempo".

Pero en realidad, las coordenadas de una cosa (un bus) sólo se comparan con las coordenadas de otra cosa ( la ubicación de un puntero giratorio, o el pulso en el circuito, en el caso de un reloj digital ).

La cuestión es que las coordenadas del espacio se utilizan para medir el tiempo, por lo que se podría decir que son realmente la misma cosa. Si el espacio es continuo, el tiempo también lo es.

7voto

Will Moffat Puntos 536

Existe una hermosa teoría de la gravedad cuántica llamada "Gravedad Cuántica Canónica" que pretende cuantificar la relatividad general utilizando métodos canónicos típicos (cuantificación canónica/formulación integral de la trayectoria). Esta teoría predice una estructura granular para el espacio-tiempo manteniendo la invariancia local de Lorentz. La teoría da un espectro de valores propios para el área y el volumen cuantificados basado en los gráficos de redes de espín de Penrose, excepto que la teoría considera clases de equivalencia de redes de espín bajo difeomorfismos. La formulación Path-integral de la teoría consiste en considerar una suma sobre geometrías que es totalmente independiente del fondo, realizada en suma sobre 2-complejos, que son a su vez grafos. Aquí hay un pequeño conjunto de conferencias que pueden interesarle: http://arxiv.org/abs/1102.3660

Respuesta al comentario del OP: No hay pruebas experimentales de la gravedad cuántica que conozcamos por ahora, ya sea porque no sabemos interpretar lo que tenemos delante o porque simplemente no tenemos la potencia/creatividad técnica todavía, aunque hay una serie de nuevos papers que sugieren experimentos que se pueden hacer en el LHC para la Gravedad Cuántica Canónica, que tienen que ver con la evaporación de microagujeros negros y su espectro de radiación que difiere del espectro clásico predicho por la QFT en el espacio-tiempo curvo. La Gravedad Cuántica Canónica es también la única teoría de la corriente principal de QG sobre la mesa que da predicciones numéricas falsables que son novedosas; al menos todavía no he visto nada más en los foros y en arxiv que lo haga, así que eso no significa mucho.

5voto

domotorp Puntos 6851

La idea de que el espaciotiempo tiene una longitud fundamental no se traduce necesariamente en una estructura discretizada.

Pensemos intuitivamente en esto en términos de integrales de trayectoria (supongamos trayectorias unidimensionales y olvidemos por ahora la estructura fibrosa, no es relevante para la discusión). Cuando hacemos integrales de trayectoria, solemos tomar todas las trayectorias cinemáticas del sistema en el espacio de configuración (lo que se suele llamar estados fuera de la cáscara), asignamos una amplitud dada por la acción dinámica y las sumamos todas para obtener amplitudes físicas observables (los estados dentro de la cáscara)

Ahora bien, la escala de Planck establece un límite natural para los estados on-shell, porque las trayectorias que tienen energías por encima de esa escala deben dar lugar a agujeros negros en la trayectoria (o el equivalente gravitatorio cuántico de los agujeros negros, sea lo que sea). Así que en tus amplitudes para estados on-shell, obtienes sistemas que no tienen estructura observable más allá de la escala de planck, y de hecho, aumentar la energía lo empeora porque hace que los agujeros negros resultantes sean más grandes. Pero, no obstante, viven en un fondo invariante de Lorentz

Ahora, todo esto es especulativo, y probablemente no sea una imagen totalmente correcta, pero mi punto es que una escala física mínima finita no contradice un fondo continuo invariante de Lorentz

3voto

hurst Puntos 1192

Para el espacio-tiempo de cuatro dimensiones al que estamos acostumbrados, los átomos del espacio-tiempo son incompatibles con la relatividad especial. Si intentáramos afirmar un tamaño de estos granos de espacio-tiempo también tendríamos que decir en qué marco de referencia tienen ese tamaño. Así que introducen un marco de referencia preferido. A mi entender, la supersimetría introduce dimensiones completamente discretas del espacio-tiempo, pero éstas son radicalmente diferentes de las dimensiones a las que estamos acostumbrados. Aquí está una discusión mucho mejor del tema por uno de los principales teóricos del mundo.

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