THE UNIVERSE CLOCK MIGHT HAVE BIGGER TICKS THAN WE IMAGINE (AND) (Y) EL RELOJ CÓSMICO

Gilberto Reyes Moreno

8 abr 20218 Min. de lectura

INTRODUCTION

The main idea of this article is to show the possibility that time, as many other magnitudes that are seen from the QUANTUM MECHANICS point of view, has also the singular property to vary (increase or decrease) by a discrete value, i.e. step by step, called quantum. For time: quantum time, which value is still unknown but its duration is thought to be an extremely small lapse, but could interact with many Universe's phenomena, even challenging our best atomic timepieces due to its highest precision.

A new experiment places limits on the smallest possible increment of time

The smallest conceivable length of time might be no larger than a millionth of a billionth of a billionth of a billionth of a second. That’s according to a new theory describing the implications of the universe having a fundamental clock-like property whose ticks would interact with our best atomic timepieces.

Such an idea could help scientists get closer to doing experiments that would illuminate a theory of everything, an overarching framework that would reconcile the two pillars of 20th-century physics—quantum mechanics, which looks at the smallest objects in existence, and Albert Einstein’s relativity, which describes the most massive ones.

Most of us have some sense of time’s passage. But what exactly is time?

“We don’t know,” Martin Bojowald, a physicist at Pennsylvania State University in University Park, told Live Science. “We know that things change, and we describe that change in terms of time.”

Physics presents two conflicting views of time, he added. One, which stems from quantum mechanics, speaks of time as a parameter that never stops flowing at a steady pace. The other, derived from relativity, tells scientists that time can contract and expand for two observers moving at different speeds, who will disagree about the span between (same) events.

In most cases, this discrepancy isn’t terribly important. The separate realms described by quantum mechanics and relativity hardly overlap. But certain objects—like black holes, which condense enormous mass into an inconceivably tiny space—can’t be fully described without a theory of everything known as quantum gravity.

In some versions of quantum gravity, time itself would be quantized, meaning it would be made from discrete units, which would be the fundamental period of time. It would be as if the universe contained an underlying field that sets the minimum tick rate for everything inside of it, sort of like the famous Higgs field that gives rise to the Higgs boson particle which lends other particles mass. But for this universal clock, “instead of providing mass, it provides time," said Bojowald.

By modeling such a universal clock, he and his colleagues were able to show that it would have implications for human-built atomic clocks, which use the pendulum-like oscillation of certain atoms to provide our best measurements of time. According to this model, atomic clocks’ ticks would sometimes be out of sync with the universal clock’s ticks.

This would limit the precision of an individual atomic clock’s time measurements, meaning two different atomic clocks might eventually disagree about how long a span of time has passed. Given that our best atomic clocks agree with one another and can measure ticks as small as 10^(minus19) seconds, or a tenth of a billionth of a billionth of a second, the fundamental unit of time can be no larger than 10^(minus 33)seconds, according to the team’s paper, which appeared June 19 in the journal Physical Review Letters.

“What I like the most about the paper is the neatness of the model," Esteban Castro-Ruiz, a quantum physicist at the Université Libre de Bruxelles in Belgium who was not involved in the work, told Live Science. “They get an actual bound that you can in principle measure, and I find this amazing.”

Research of this type tends to be extremely abstract, he added, so it was nice to see a concrete result with observational consequences for quantum gravity, meaning the theory could one day be tested.

While verifying that such a fundamental unit of time exists is beyond our current technological capabilities, it is more accessible than previous proposals, such as the Planck time, the researchers said in their paper. Derived from fundamental constants, the Planck time would set the tiniest measureable ticks at 10^(-44) seconds, or a ten-thousandth of a billionth of a billionth of a billionth of a billionth of a billionth of a second, according to Universe Today.

Whether or not there is some length of time smaller than the Planck time is up for debate, since neither quantum mechanics nor relativity can explain what happens below that scale. “It makes no sense to talk about time beyond these units, at least in our current theories,” said Castro-Ruiz.

Because the universe itself began as a massive object in a tiny space that then rapidly expanded, Bojowald said that cosmological observations, such as careful measurements of the cosmic microwave background, a relic from the Big Bang, might help constrain the fundamental period of time to an even smaller level.

ABOUT THE AUTHOR(S)

Adam Mann is a journalist specializing in astronomy and physics. His work has appeared in National Geographic, the Wall Street Journal, Wired, and elsewhere.

EL RELOJ CÓSMICO

INTRODUCCIÓN

Lo que sigue es la traducción libre del artículo titulado: THE UNIVERSE’S CLOCK MIGHT HAVE BIGGER TICKS THAN WE IMAGINE” (EL RELOJ DEL UNIVERSO PODRÍA TENER MAYORES “TICKS” DE LO QUE IMAGINAMOS), aparecido en la publicación “Today in Science”, de la revista “Scientific American”, el 14/07/2020.

(Les adelanto que este artículo no está permitido reenviarlo, ni copiarlo ni transferirlo por ningún medio sin el consentimiento del autor. Pero, tal como procedí en el artículo precedente mencionado, creo que no estoy transgrediendo “copyright” alguno al enviarles su traducción puesto que es sin fines de lucro, solo para fines didácticos y estrictamente limitado a un pequeño grupo de familiares y amigos a través de mi blog).

El reloj del universo podría tener mayores “ticks” de lo que imaginamos

“El menor tiempo concebible podría ser no mayor que la millonésima de la milmillonésima de la milmillonésima de la milmillonésima de un segundo, 10^(-33) segundos. Eso es de acuerdo con una nueva teoría que describe las implicaciones del universo que tendría una propiedad tal como de un reloj fundamental cuyos “tick tacks” interactuarían con nuestros mejores relojes atómicos.

Tal idea podría ayudar a los científicos para que estén más cerca de la posibilidad de realizar experimentos para formular la TEORÍA DE TODAS LAS COSAS, un marco que reconciliaría los dos pilares en los que se basa la física del Siglo XX: La Mecánica Cuántica, que trata de los objetos más pequeños que existen y la Teoría de La Relatividad, de Albert Einstein, que describe a los más masivos.

La mayoría de nosotros conocemos la sensación del paso del tiempo. Pero ¿qué es exactamente el tiempo?: “Yo no lo sé” dijo, a la publicación “Live Science” el físico Martín Bojuwald, de la Universidad del Estado de Pensilvania, en los EE. UU de Norteamérica: “Sabemos que las cosas cambian y describimos esos cambios en términos de tiempo”, añadió.

Los físicos presentan dos visiones conflictivas del tiempo, puntualizó él: Uno que proviene de la mecánica cuántica, que habla del tiempo como un parámetro que nunca para de fluir a un ritmo constante. El otro, proveniente de la relatividad, que dice que el tiempo puede contraerse o expandirse para dos observadores que se mueven a diferentes velocidades, lo que redundará en diferentes lapsos observados de un mismo evento. Esta discrepancia también existe para dos observadores situados en campos gravitacionales de diferente intensidad (Nota del traductor).

En muchos casos estas discrepancias no son totalmente importantes. Los ámbitos separados que describen la mecánica cuántica y la relatividad difícilmente se superponen. Para ciertos objetos - como los hoyos negros, los cuales “contienen” (condense) enormes masas en un inconcebiblemente pequeño espacio – no pueden ser completamente descritos sin una teoría de “todas las cosas” conocida como de la “gravedad cuántica”.

En algunas versiones de la gravedad cuántica, el tiempo mismo puede ser cuantificado, esto es que estaría hecho de unidades discretas, cuyo valor sería el período fundamental del tiempo. Sería como si el universo contuviese un real, aunque no obvio campo (underlying field) que fija el mínimo ritmo del “tick” para todo lo que está dentro de él, como el caso del famoso campo de Higgs que conlleva a la partícula Higgs boson el cual provee masa a otras partículas. Pero para este reloj universal “en lugar de proveer masa, provee tiempo”, dice Bojowald.

Modelando tal reloj universal, Bojowald y sus colegas mostraron que ello tendría implicaciones para los relojes atómicos construidos por el hombre, los cuales usan las oscilaciones, como péndulos, de ciertos átomos para lograr nuestras mejores mediciones del tiempo. De acuerdo con este modelo, los “ticks” de los relojes atómicos estarían algunas veces fuera de sincronismo con los “ticks” del reloj universal.

Ese hecho limitaría la precisión de las medidas de un particular relojes atómico, sugiriendo que dos relojes atómicos diferentes eventualmente no concordarían en la medición de un mismo lapso.

Sabiendo que nuestros mejores relojes atómicos concuerdan entre ellos y pueden medir lapsos tan pequeños como 10^(-19) segundos o el décimo de una milmillonésima de una milmillonésima de segundo, la unidad fundamental del tiempo podría no ser más grande que 10^(-33) segundos, de acuerdo con la publicación del equipo, la cual apareció el 19 de junio de este año en “Physical Review Letters”.

“Lo que más me gusta del escrito es la pulcritud del modelo” dijo el físico cuántico Esteban Castro Ruiz - de la Universidad Libre de Bruselas, Bélgica, (quien no formó parte del equipo) - a la revista “Live Science”. “Ellos han conseguido algo bueno y real, que en principio se puede medir, y eso es asombroso”, enfatizó.

Investigaciones de este tipo tienden a ser extremadamente abstractas, añadió Castro - Ruiz, por eso fue muy relevante ver un resultado concreto con consecuencias observables por gravedad cuántica, lo que significa que la teoría podría ser verificada algún día.

La verificación de la existencia de tal unidad fundamental del tiempo está fuera de nuestra capacidad tecnológica actual, pero es más accesible que las propuestas previas, tal como el tiempo de Planck, opinaron los investigadores en sus escritos.

El tiempo de Planck, derivado de las constantes fundamentales de la naturaleza (Véase el APÉNDICE, anexo), coloca el mínimo tiempo medible como 10^(-44) segundos, o sea a diezmilésima de milmillonésima de milmillonésima de milmillonésima de milmillonésima de milmillonésima de segundo, de acuerdo con la publicación en “Universe Today”.

Si existe o no un tiempo más corto que el de Planck es un tema de debate, ya que ni la mecánica cuántica ni la relatividad pueden explicar lo que pasa debajo de esa escala. “No tiene sentido hablar acerca de tiempos por debajo de esas unidades, al menos en nuestras teorías actuales”, dice Castro-Ruiz.

Debido a que el mismo universo comenzó como un objeto masivo en un lapso extremadamente corto y luego se expandió rápidamente, Bojowald dice que observaciones cosmológicas, tales como las cuidadosas mediciones del fondo cósmico de microondas, una reliquia del Big Bang, podrían constreñir el periodo del tiempo fundamental aún a niveles más pequeños.

TRADUCIDO POR: Gilberto Reyes Moreno, del artículo correspondiente aparecido en la revista SCIENTIFIC AMERICAN del 14/07/2020.

A pesar de ello, me he atrevido a colocarlo en mi BLOG, citando su origen, sólo para fines didácticos, sin fines de lucro, para su distribución entre un pequeño grupo de familiares y amigos.

Autor: Adam Mann, un periodista especializado en astronomía y física. Sus trabajos han aparecido en National Geographic, The Wall Street Journal, Wired y otros más.

Marzo, 2021

APÉNDICE

LAS CONSTANTES UNIVERSALES DE LA NATURALEZA

Las constantes universales de la naturaleza son valores de ciertas magnitudes que permanecen constantes, en los procesos físicos, a lo largo del tiempo. Son válidos en todo el Universo. Sirven para construir nuestro entendimiento en torno al universo en el que vivimos.

Las siete principales magnitudes, porque hay muchas otras, para tener en cuenta son:

La velocidad de la luz en el vacío (reemplaza al metro)

La constante de Planck (reemplaza al kilogramo)

En número de Avogadro (reemplaza al mol)

La eficacia luminosa (reemplaza a la candela)

La constante de Boltzmann (reemplaza al kelvin)

El segundo de un reloj atómico (reemplaza al segundo tradicional)

A guisa de ejemplo cito tres magnitudes adicionales que tienen constantes universales:

La permisividad en el vacío

La constante de Bohr

La constante de Faraday.

También como ejemplo escribo tres constantes:

Constante de Planck: 6.626 033(11) x 10^(-34) Js

Constante de la gravedad universal: 6.6742(10) x 10^(-11) Nm2

Constante de la velocidad de la luz (c) en el vacío: c = 299,799,458 m/s

Nota: c, del latín celeritas (celeridad o rapidez).

NOTA IMPORTANTE: Si alguna constante universal cambiara, así sea muy poco, el universo que conocemos sería diferente. Por ejemplo: si la carga eléctrica de un electrón fuese diferente del valor que conocemos, el universo sería diferente al actual.

Fuente de consulta: INTERNET

Información recopilada y ordenada por Gilberto Reyes Moreno.