La espuma cuántica o espuma del espacio-tiempo es una fluctuación cuántica teórica del espacio-tiempo en escalas muy pequeñas debida a la mecánica cuántica . La teoría predice que en estas escalas pequeñas, partículas de materia y antimateria se crean y destruyen constantemente. Estos objetos subatómicos se denominan partículas virtuales . [1] La idea fue ideada por John Wheeler en 1955. [2] [3]
Con una teoría incompleta de la gravedad cuántica , es imposible estar seguros de cómo se vería el espacio-tiempo a escalas pequeñas. Sin embargo, no hay una razón definitiva para que el espacio-tiempo deba ser fundamentalmente uniforme. Es posible que, en cambio, en una teoría cuántica de la gravedad, el espacio-tiempo consistiera en muchas regiones pequeñas y siempre cambiantes en las que el espacio y el tiempo no están definidos, sino que fluctúan de manera similar a 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 espacio-tiempo uniforme observado a escalas macroscópicas, dándole al espacio-tiempo un carácter "espumoso".
La prueba experimental del efecto Casimir , que posiblemente es 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 apoya su existencia. [1]
En 2005, durante las observaciones de fotones de rayos gamma que llegaban desde el blazar Markarian 501 , los telescopios MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) detectaron que algunos de los fotones en diferentes niveles de energía llegaron en diferentes momentos, lo que sugiere que algunos de los fotones se habían movido 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, los experimentos posteriores no pudieron confirmar la supuesta variación en la velocidad de la luz debido a la granulosidad del espacio. [7] [8]
Otros experimentos que implican la polarización de la luz procedente de explosiones de rayos gamma distantes también han producido resultados contradictorios. [9] Se están realizando más experimentos basados en la Tierra [10] o se han propuesto. [11]
Se esperaría que las fluctuaciones características de una espuma del espacio-tiempo 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 ralentizados por la espuma cuántica, y la velocidad dependería de la longitud de onda de los fotones. Esto violaría la invariancia de Lorentz . Pero las observaciones de la radiación de los cuásares cercanos realizadas por Floyd Stecker del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA no encontraron 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 las distancias porque los fotones deberían difundirse aleatoriamente a través de una espuma de espacio-tiempo, de manera similar a la difusión de la luz al pasar a través de la niebla. Esto debería causar que la calidad de imagen de objetos muy distantes observados a través de telescopios se degrade. Las observaciones de rayos X y rayos gamma de cuásares utilizando el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA , el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi y las observaciones de rayos gamma terrestres del Conjunto de Telescopios de Imágenes de Radiación Muy Energética (VERITAS) no mostraron ninguna degradación detectable en las distancias observadas más lejanas, 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 del espacio-tiempo.
Las fluctuaciones del vacío proporcionan al vacío una energía distinta de cero conocida como energía de vacío . [19]
La teoría de la espuma de espín es un intento moderno de hacer cuantitativa la idea de Wheeler .