La espuma cuántica o espuma del espacio-tiempo es una fluctuación cuántica teórica del espacio-tiempo a escalas muy pequeñas debido a la mecánica cuántica . La teoría predice que a estas pequeñas escalas se crean y destruyen constantemente partículas de materia y antimateria. Estos objetos subatómicos se llaman partículas virtuales . [1] La idea fue ideada por John Wheeler en 1955. [2] [3]
Con una teoría incompleta de la gravedad cuántica , es imposible tener certeza de cómo sería el espacio-tiempo a pequeña escala. Sin embargo, no existe una razón definitiva por la que el espacio-tiempo deba ser fundamentalmente fluido. Es posible que, en cambio, en una teoría cuántica de la gravedad, el espacio-tiempo conste de muchas regiones pequeñas y en constante cambio en las que el espacio y el tiempo no son definidos, sino que fluctúan como una espuma. [4]
Wheeler sugirió que el principio de incertidumbre podría implicar que en distancias suficientemente pequeñas e intervalos de tiempo suficientemente breves, "la geometría misma del espacio-tiempo fluctúa". [5] Estas fluctuaciones podrían ser lo suficientemente grandes como para causar desviaciones significativas del suave espacio-tiempo visto a escalas macroscópicas, dando al espacio-tiempo un carácter "espumoso".
La prueba experimental del efecto Casimir , posiblemente causado por partículas virtuales, es una prueba contundente de la existencia de partículas virtuales. El experimento g-2 , que predice la fuerza de los imanes formados por muones y electrones, también respalda su existencia. [1]
En 2005, durante las observaciones de fotones de rayos gamma provenientes del blazar Markarian 501 , los telescopios MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) detectaron que algunos de los fotones con diferentes niveles de energía llegaron en diferentes momentos, lo que sugiere que algunos de los fotones habían se movían más lentamente y, por lo tanto, violaban la noción de la relatividad especial de que la velocidad de la luz es constante, una discrepancia que podría explicarse por la irregularidad de la espuma cuántica. [6] Sin embargo, experimentos más recientes no pudieron confirmar la supuesta variación en la velocidad de la luz debido a la granulosidad del espacio. [7] [8]
Otros experimentos relacionados con la polarización de la luz procedente de estallidos distantes de rayos gamma también han producido resultados contradictorios. [9] Hay más experimentos en la Tierra en curso [10] o propuestos. [11]
Se esperaría que las fluctuaciones características de una espuma espacio-temporal ocurrieran en una escala de longitud del orden de la longitud de Planck (≈ 10 −35 m), [12] pero algunos modelos de gravedad cuántica predicen fluctuaciones mucho mayores.
Los fotones deberían ser frenados por espuma cuántica, y la velocidad depende de la longitud de onda de los fotones. Esto violaría la invariancia de Lorentz . Pero las observaciones de la radiación de los quásares cercanos realizadas por Floyd Stecker del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA no lograron encontrar evidencia de violación de la invariancia de Lorentz. [13]
Un espacio-tiempo espumoso también establece límites a la precisión con la que se pueden medir distancias porque los fotones deben difundirse aleatoriamente a través de una espuma de espacio-tiempo, similar a la luz que se difunde al atravesar la niebla. Esto debería provocar que se degrade la calidad de la imagen de objetos muy distantes observados a través de telescopios. Las observaciones de rayos X y rayos gamma de quásares utilizando el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA , el Telescopio espacial de rayos gamma Fermi y las observaciones terrestres de rayos gamma del Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array (VERITAS) no mostraron degradación detectable en el distancias más lejanas observadas, lo que implica que el espacio-tiempo es suave al menos hasta distancias 1000 veces más pequeñas que el núcleo de un átomo de hidrógeno, [14] [15] [16] [17] [18] estableciendo un límite en el tamaño de las fluctuaciones cuánticas de tiempo espacial.
Las fluctuaciones del vacío proporcionan al vacío una energía distinta de cero conocida como energía del vacío . [19]
La teoría de la espuma de espín es un intento moderno de hacer cuantitativa la idea de Wheeler .