Ahora que LIGO descubrió por primera vez la señal de las ondas gravitacionales, parte de la teoría de Einstein ha sido confirmada, prediciendo que la estructura misma del espacio debería estar cubierta de ondas y ondas. Y eso plantea muchas preguntas interesantes, incluidas las siguientes:
¿Deben las ondas gravitacionales mostrar dualidad onda-partícula, y si es así, los físicos con LIGO ya han encontrado formas de probar esto, como algún tipo de experimento con dos rendijas?
La dualidad onda-partícula es una de las consecuencias más extrañas de la mecánica cuántica que conocemos.
Todo comienza de manera bastante simple: la materia consiste en partículas, átomos y sus componentes, y radiación - de ondas. La partícula es visible, ya que exhibe propiedades tales como colisiones o rebotes, se pega con otras partículas, intercambia energía, se une, etc. Y la onda se puede determinar por difracción e interferencia consigo misma. Newton creía incorrectamente que la luz está compuesta de partículas, pero otros, por ejemplo, Huygens (sus contemporáneos) y los eruditos de principios del siglo XIX, Young y Fresnel, mostraron con certeza que la luz muestra propiedades que no pueden explicarse a menos que lo consideres como la ola El más obvio de ellos es el paso de la luz a través de una doble rendija: la imagen en la pantalla de fondo muestra que la luz interfiere tanto estructuralmente (aparecen puntos brillantes) como destructivamente (aparecen puntos oscuros).
La interferencia es una propiedad de onda, por lo que el experimento "demostró" que la luz es una onda. Pero a principios del siglo XX, todo estaba un poco confundido cuando se descubrió el efecto fotoeléctrico. Si brillas sobre un material específico, la luz eliminará periódicamente los electrones. Si hace que la luz sea más roja (disminuya la energía), incluso aumentando su intensidad, los electrones dejarán de latir. Pero si lo haces azul (aumenta la energía), incluso si aprietas la eficiencia fuertemente, la luz aún noqueará los electrones. Poco después, resultó que la luz se cuantifica en fotones, y que los fotones individuales pueden comportarse como partículas, golpeando electrones en la energía correcta.
Por debajo de cierto límite, no se produce energía de ionizaciónEn el transcurso del siglo XX, aparecieron resultados aún más extraños:
• Los fotones separados, que pasan a través de dos rendijas, uno a la vez, interferirán entre sí y darán una imagen correspondiente a la onda.
• Los electrones, al ser partículas, también exhiben interferencia y difracción.
• Si mide a través de qué hendidura específica pasa el fotón o el electrón, el patrón de interferencia no funciona, y si no mide, resulta.
Parece que cada partícula que observamos se puede describir como una onda y como una partícula. Además, la física cuántica dice que es necesario describirlo así y que, al mismo tiempo, de lo contrario no obtendremos resultados que sean consistentes con los experimentos.
Pasamos a ondas gravitacionales. Son bastante únicos, porque hasta ahora solo hemos observado sus manifestaciones de onda, pero no hemos observado que se comporten como partículas. Sin embargo, así como las ondas de agua están formadas por partículas, las ondas gravitacionales deben estar formadas por partículas. Estas partículas deberían ser gravitones, transmitiendo la fuerza de la gravedad, y deberían aparecer como consecuencia del hecho de que la gravedad es por su naturaleza una interacción cuántica.
Dado que esta es una onda, a juzgar por las observaciones, que se comporta exactamente como lo predice la Teoría General de la Relatividad, podemos concluir con seguridad que continuará comportándose como todas las entidades de onda predichas por GR. En detalles, son ligeramente diferentes de otras ondas que nos son familiares: estas no son ondas escalares, como las ondas en el agua, y no son ondas vectoriales, como la luz, en las que los campos eléctricos y magnéticos oscilan en fase. Estas son ondas tensoras, que hacen que el espacio se contraiga y se expanda en la dirección perpendicular a medida que la onda se propaga.
Estas ondas se comportan de muchas maneras de la misma manera que cualquier otra, incluida la propagación en un medio a una cierta velocidad (con la velocidad de la luz a lo largo de la estructura misma del espacio), interfiriendo con otras ondas en el espacio, tanto estructural como destructivamente, moviéndose a lo largo de la superficie. la curvatura existente del espacio-tiempo, y si se pudiera hacer que estas ondas experimentaran difracción, tal vez al pasar alrededor de una fuente de gravedad tan fuerte como un agujero negro, lo harían. Además, se sabe que con la expansión del Universo, estas ondas se comportarán igual que todos los demás: se estiran y se expanden junto con el espacio de fondo del Universo.
Entonces, la pregunta es ¿cómo verificar su parte cuántica? ¿Cómo buscar la naturaleza corpuscular de la onda gravitacional? En teoría, una onda gravitacional es similar a la animación anterior, y muestra cómo la visibilidad de una onda surge de una multitud de partículas que se mueven en círculos: estas partículas serán gravitones, y la onda resultante fue registrada por LIGO. Hay muchas razones para creer que tenemos gravitones, que:
• tener giro 2,
• no tienen masa,
• moverse a la velocidad de la luz,
• interactuar solo a través de la gravedad.
Las restricciones obtenidas de LIGO en la masa de gravitón son muy buenas: si tiene masa, entonces no excede 1.6 * 10
-22 eV / c
2 , es decir, es 10
28 veces más liviano que un electrón. Pero hasta que encontremos una forma de probar la gravedad cuántica con ondas gravitacionales, no sabremos si los gravitones exhiben dualidad onda-partícula.
Hay un par de posibilidades para esto, aunque es poco probable que LIGO tenga éxito. Usted ve, los efectos de la gravedad cuántica son más pronunciados donde los campos gravitacionales muy fuertes interactúan a distancias muy cortas. ¿Hay una mejor manera de verificar esto que observar la fusión de los agujeros negros? Cuando se fusionan dos singularidades, estos efectos cuánticos, cuyo punto de partida debe ser GRT, aparecen en el momento de la fusión, poco antes e inmediatamente después. Necesitamos rastrear fenómenos a lo largo de períodos de tiempo medidos en picosegundos, no los micro o milisegundos a los que LIGO es sensible, pero esto puede no ser posible. En principio, hemos desarrollado pulsos de láser que funcionan en una escala de femtosegundos o incluso attosegundos (
10-15 s -
10-18 s), de modo que potencialmente podamos organizar una sensibilidad que rastree pequeñas desviaciones de la relatividad si comienza una gran cantidad de tales interferómetros. Esto requerirá un gran salto en tecnología, una reducción significativa en el ruido y un aumento en la sensibilidad. Pero técnicamente esto no es imposible, ¡es muy difícil!
Si necesita más información, acabo de grabar un video con una historia sobre ondas gravitacionales, LIGO y lo que aprendimos sobre ellas.
Nuestro tema se ocupa especialmente de la última pregunta, que dice acerca de cómo podemos probar la naturaleza corpuscular de los gravitones, lo que completaría la imagen del dualismo de partículas y ondas del Universo. Creemos que esto resultará ser cierto, aunque ciertamente no lo sabemos. Espero que nuestra curiosidad nos haga invertir en estos estudios, la naturaleza nos acompañará y lo descubriremos.