probando la gravedad en la escala de Planck.

Aunque la teoría cuántica puede explicar tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza, los científicos actualmente dependen de la relatividad general para explicar la cuarta fuerza, la gravedad. Sin embargo, nadie está muy seguro de cómo funciona la gravedad a distancias muy cortas, en particular, la distancia más corta de todas: la longitud de Planck, o 10^-35 m . Hasta ahora, la distancia más pequeña accesible en los experimentos es de  aproximadamente 10^-19 m en el LHC.


 
el acelerador PETRA-III en el DESY y el propuesto Colisionador Lineal Internacional (ILC)podrían probar la flexión dependiente de la energía de la luz debida a la gravedad en las más pequeñas escalas .La prueban podrían medir 2 efectos ,la refractividad la cual produce un corrimiento de la energía (escala superior) y la birrefringencia la cual produce una asimetría Compton (escala inferior).La longitud de Planck se indica con una flecha en la imágen.Crédito.Vahagn Gharibyan. ©2012 American Physical Society.


Ahora, en un nuevo artículo publicado en Physical Review Letters (Ver aquí), el físico Vahagn Gharibyan del Deutsches Elektronen-Synchrotron ( DESY ) en Hamburgo, Alemania, se ha propuesto una prueba de la gravedad cuántica que puede alcanzar una sensibilidad bajo los 10^-31 m hasta la longitud de Planck , dependiendo de la energía del acelerador de partículas . Como explica Gharibyan, varios modelos de la gravedad cuántica predicen que el espacio vacío cerca de la longitud de Planck se puede comportar como un cristal en el sentido de que el espacio es refractivo (la luz se curva debido a "gravitones", las partículas hipotéticas que median la gravedad) y tiene birrefringencia / quiralidad (el grado de flexión de la luz también depende de su polarización). En la gravedad cuántica, tanto la refracción como la birrefringencia dependen de la energía: cuanto mayor es la energía del fotón, mayor es la interacción de fotones y gravitones y la flexión será mayor. Esta correlación es lo contrario de lo que sucede cuando los fotones interactúan con campos electromagnéticos o materia, donde estos efectos son suprimidos por la energía fotónica . La correlación predicha también se diferencia de lo que sucede de acuerdo a la gravedad de Newton y la relatividad general , donde cualquier desviación de la luz es independiente de la energía de la luz. "Si se describe la gravedad en el nivel cuántico , la curvatura de la luz por la gravedad se vuelve dependiente de la energía - a diferencia de la gravedad de Newton o la relatividad general de Einstein ", dijo Gharibyan. "Cuanto mayor sea la energía de los fotones, mayor será la flexión, o más fuerte debería ser la interacción de fotones con gravitones ". Gharibyan sugiere que esta desviación de la luz de acuerdo con los modelos de gravedad cuántica puede ser estudiada utilizando haces en aceleradores de alta energía que indagan sobre la simetría del espacio vacío a pequeña escala. Los aceleradores podrían utilizar la dispersión de Compton de alta energía, en el que un fotón que se dispersa fuera de otra partícula en movimiento adquiere energía, causando un cambio en su impulso. Los experimentos propuestos podrían detectar cómo los efectos de la gravedad cuántica cambian la relación energía-momento del fotón en comparación con lo que se esperaría en una escala normal. Para estos experimentos, el haz de energía es de vital importancia en la determinación de la sensibilidad de los efectos a pequeña escala. Gharibyan estima que un acelerador de leptones de 6 GeV, como el PETRA-III en el DESY, podría probar la birrefringencia espacial bajo los 10^-31 m.. Futuros aceleradores que podrían alcanzar energías de hasta 250 GeV, como el propuesto Colisionador Lineal Internacional (ILC), podrían poner a prueba la birrefringencia todo el camino hasta la longitud de Planck.Para sondear la refractividad, Gharibyan estima que una máquina de 6 GeV tendría una sensibilidad bajo los 10^-27 m, mientras que una máquina de 250 GeV podría alcanzar aproximadamente los 10^-31 m. Como explica Gharibyan, sondear la gravedad en la escala de Planck de esta manera es algo similar a la investigación de estructuras nanométricas cristalinas. "Los cristales convencionales tienen tamaños de celda de alrededor de decenas de nanómetros y son transparentes o no interactúan con los fotones con mucho más grandes longitudes de onda (m o mm) ", dijo Gharibyan. "Con el fin de investigar las estructuras de las celdas de cristal, son necesarios fotones de longitud de onda de nm como los rayos X. Sin embargo, la luz visible con longitudes de onda 1000 veces más grande que la celda de cristal todavía puede sentir la influencia promedio de las celdas: la luz podría ser reflejada simplemente o doblemente .Comparando esto con el cristal de longitud de Planck, no tenemos fotones con una longitud de onda de Planck o esa gran energía, en su lugar seremos capaces de sentir los efectos promedio de las celdas de cristal de Planck- o granos del espacio - con mucha [relativamente] más baja energía de los fotones ". De hecho, como Gharibyan ha encontrado, ya hay indicios experimentales de gravitones. "Este trabajo presenta evidencia de las interacciones de la gravedad cuántica mediante la aplicación del método desarrollado para rayos gamma más rápidos que la luz, el cual encontré más temprano en los datos de los aceleradores de electrones más grandes de Estados Unidos y Alemania (ver aquí) ", dijo. "La ausencia de cualquier desviación de la luz de las estrellas en el vacío cósmico indica que los gravitones de la Tierra deberían ser considerados responsables de la curvatura de los rayos gamma observada en los aceleradores. Gharibyan encontró que los datos del ahora cerrado Acelerador de Hadrones-Electron Ring (HERA) en DESY de 26.5 Gev midieron una celda de Planck de tamaño 2.6x10^-28 m, y los datos del Stanford Linear Collider (SLC) en la Universidad de Stanford de 45.6 Gev en los EE.UU. midieron un tamaño de los granos del espacio de 3.5x10^-30 m. Mientras que estos resultados proporcionan algunos indicios de la escala de Planck- de la gravedad, ninguno de estos experimentos fue diseñado como una herramienta para probar específicamente la gravedad, por lo que Gharibyan advierte que las piezas no controladas de las configuraciones podrían imitar los efectos observados. Si los experimentos propuestos recientemente por Gharibyan se realizan, proporcionarían las primeras mediciones directas de espacio cercano o incluso en la escala de Planck, y de esta manera, ofrecería una visión más cercana de la gravedad en este régimen enigmático.






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http://phys.org/news/2012-10-planck-scale-gravity.html

un vislumbre del más temprano universo.

Una nueva teoría cosmológica aborda la descripción de la primera época del Universo, un periodo inaccesible para los modelos actuales.La inflación cosmológica, la hipótesis de que el universo primitivo experimentó una expansión muy rápida, es un paradigma popular en la cosmología moderna. La teoría explica con éxito cómo las fluctuaciones mecánico cuánticas del vacío, comenzando aproximadamente a 10^-36 segundos después del Big Bang, podrían haber dado lugar a la estructura a gran escala del Universo, llevando a predicciones que han sido confirmadas por una serie de observaciones cosmológicas. Sin embargo, la cosmología inflacionaria no puede ser la teoría última del universo. Si se proyecta el Universo hacia atrás en el tiempo, se pone tan caliente y denso que las leyes de la física en la que se basa la inflación (la relatividad general clásica) se descomponen. En la llamada era de Planck, que dura hasta (10^-43s) después del Big Bang, la fuerza de gravedad habría alcanzado valores comparables a las otras fuerzas fundamentales. En este régimen, los efectos de la gravedad cuántica habrían sido importante, creando condiciones que van más allá de la comprensión convencional del espacio y del tiempo.
figura 1.Esquema de la evolución del universo de acuerdo al modelo de Iván Agullo basado en la gravedad cuántica de bucles (LQG)extención del paradigma inflacionario (la figura no está a escala).La LQG es usada para describir el temprano universo de la era de Planck.Los autores muestran que su teoría conecta sin problemas con la cosmología convencional inflacionaria haciendo similares predicciones respecto al fondo cósmico de microondas .El modelo está basado en un " Big Bounce" en lugar de un "Big Bang" :una transición desde una fase de contracción a una fase de expansión de el universo.Crédito.Alan Stonebraker.


¿Qué condiciones existían antes de la inflación y en qué medida afectan las predicciones del modelo inflacionario? Tales cuestiones cosmológicas fundamentales siguen sin respuesta, ya que no tenemos aún una teoría que pueda hacer frente a la física de la época preinflacion y sin problemas conectarla al período inflacionario. Un artículo publicado en Physical Review Letters, por Iván Agullo y sus colegas en la Universidad Estatal de Pennsylvania en University Park, toma la Gravedad Cuántica de Bucles (LQG)-una teoría candidata de la gravedad cuántica -y la utilizan para ampliar el escenario inflacionario hasta el final a la era de Planck [ver aquí ]. Los autores también encuentran que las características de la fase preinflationaria podrían resultar en observables firmas cosmológicas, ofreciendo así una oportunidad para poner a prueba la gravedad cuántica y la física preinflationaria en futuras observaciones astronómicas. En la década de 1980, Guth, Linde, Albrecht y Steinhardt propusieron la teoría de la inflación cosmológica [ver aquí ,aquí y aquí] para explicar dos rompecabezas en el modelo del Big Bang de la cosmología: ¿por qué nuestro universo es aproximadamente plano (es decir, puede ser descrito como un espacio euclideo , con una curvatura infinitamente pequeña) y por qué las regiones muy distantes en el Universo parecen tener una correlación no aleatoria en su temperatura (lo que sugiere que una vez estuvieron causalmente conectadas). La inflación da respuesta a estas preguntas, al postular que el volumen del Universo se expandió rápidamente por un factor de al menos 10⁷⁸ en los primeros tiempos de la evolución cósmica. Muchos modelos de inflación existen, pero cualitativamente todos conducen a similares física: durante la inflación, las fluctuaciones cuánticas del vacío condujeron a fluctuaciones de densidad que actuaban como las semillas de la estructura a gran escala del Universo actual. Dado que estas fluctuaciones de densidad fueron acompañadas por fluctuaciones de temperatura, dejaron una huella observable en el fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación térmica liberada una vez que la expansión del universo permitió a los fotones viajar libremente en el espacio. Las predicciones de la teoría inflacionaria han sido ampliamente confirmadas por las mediciones del CMB [ver aquí]. A pesar de sus notables éxitos, la teoría de la inflación tiene varios problemas. El primero es el denominado "problema de la singularidad." En el 2003, Borde mostró que la inflación predice que el Universo, cuando evoluciona hacia atrás en el tiempo, se reduciría a un punto-la singularidad del Big Bang-en la que la densidad de energía, la curvatura del espacio-tiempo y la temperatura son infinitos [ver aquí]. Dado que la relatividad general se descompone en estas condiciones, la teoría inflacionaria actual no puede seguir siendo válida cuando se acerca a la singularidad. Otra dificultad es el problema "trans-Planck" [ver aquí]: de acuerdo con la inflación, las actuales escalas cosmológicas podrían haberse desarrollado a partir de características que eran más pequeñas que la longitud de Planck en el inicio de la inflación. La longitud de Planck (la distancia recorrida por la luz en un Planck segundo) es la escala de longitud natural en la era de Planck. Pero en una escala tan pequeña, la descripción clásica de la gravedad y el espacio-tiempo se cree que es inválida. En las altas densidades y energías del régimen pre-inflationario, se espera que los efectos cuánticos sobre la fuerza de la gravedad entren en juego. Bajo tales condiciones, una nueva teoría cuántica de la gravedad, que aún no se ha completado, es necesaria para describir la "microestructura" de espacio-tiempo, de forma similar a como la mecánica cuántica describe la microestructura de la materia. La gravedad cuántica de bucles es uno de esos intentos de fusionar la mecánica cuántica y la relatividad general. En la LQG, la geometría del espacio-tiempo continuo clásica se sustituye por una geometría discreta cuántica donde el espacio puede considerarse como hecho de un tejido fino de finitos "bucles". Durante la última década,la LQG se ha aplicado a la cosmología (un campo conocido como cosmología cuántica de bucles), con la esperanza de comprender la física de la época de Planck y la solución de los problemas de singularidad de los diferentes modelos cosmológicos, como la inflación [ver aquí y aquí]. Cuando el carácter discreto de espacio no importa, las ecuaciones de la LQG se aproximan a los modelos clásicos de la cosmología extremadamente bien (al igual que la mecánica cuántica se funde en la física clásica cuando los efectos cuánticos son despreciables). Sin embargo, las diferencias surgen cuando la curvatura del espacio-tiempo comienza a ser significativa. En la LQG, el Universo no surge a partir de una singularidad. En cambio, el Big Bang se sustituye por un "Big Bounce": el comienzo de un período de expansión que siguió a un período de contracción de una fase anterior del Universo. El trabajo de Agullo adopta el paradigma del rebote de la LQG y por lo tanto está libre del problema de la singularidad. Su idea física clave es que en la fase cercana al rebote(Bounce), las fluctuaciones del vacío ocurren sobre una no clásica geometría cuantificada del espacio-tiempo que abarca un volumen muy pequeño de aproximadamente 10³ longitudes cúbicas de Planck. Estas son las fluctuaciones que actúan como las semillas de la estructura a gran escala de nuestro universo. Dado que una teoría completa de la gravedad cuántica aún no está disponible, los autores tuvieron que limitarse a una aproximación: tratan a las fluctuaciones con la estándar teoría cuántica de campos (como en la cosmología inflacionaria), pero se aprovechan de los recientes resultados teóricos [ver aquí] y estudian cómo estas fluctuaciones evolucionan en un espacio-tiempo que se cuantifica por técnica de la LQG . Dado que el paradigma inflacionario se extiende a través de la LQG a la época de Planck, las inconsistencias trans-Planck también se resuelven, cuando la LQG trata con rigor la longitud sub-Planck. Hay que señalar que la consistencia de su análisis se basa en una suposición importante: las fluctuaciones del vacío cuántico no afectan a su vez a la geometría subyacente cuántica. Los autores muestran que esto es verdad para una amplia clase de posibles condiciones iniciales, para los que las fluctuaciones del vacío al comienzo de la inflación llegan a ser esencialmente la misma que las consideradas en el modelo estándar inflacionario. Su modelo basado en la LQG, ilustrado esquemáticamente en la figura. 1, es consistente con las predicciones de la teoría inflacionaria y la extiende de manera continua a la era de Planck. Sin embargo, para un subconjunto limitado de tales condiciones iniciales,el estado del vacío predicho por la LQG puede ser sutilmente diferente del asumido en la inflación. Esto llevaría a firmas potencialmente observables de la gravedad cuántica [ver aquí,aquí y aquí] que podrían ser reveladas en experimentos del CMB de alta precisión como las propiedades estadísticas no gaussiana de la distribución de la temperatura (que se espera que sea distinta de las predicciones del modelo estándar de la inflación). En caso de que las futuras observaciones confirmen las predicciones de la LQG, una era hasta ahora inaccesible-de los inicios del universo sería accesible para la cosmología observacional.Siendo capaces de ver el Universo muy temprano, cuando la gravedad estaba a la par con las otras fuerzas, bien puede ser la clave para una teoría totalmente coherente que unifique la relatividad general y la mecánica cuántica.





artículo del físico Parampreet Singh para Physics.aps.






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http://physics.aps.org/articles/v5/142

turbulento plasma en el laboratorio.

La confirmación de que la interacción de ondas magnéticas de plasma pueden generar ondas "hija" de una frecuencia superior soporta la imagen actual de cómo la turbulencia calienta el plasma astrofísico. El Universo está lleno de fluidos turbulentos, la mayoría de los cuales fueron ionizados por la radiación ultravioleta emitida por las primeras estrellas y galaxias en el Universo temprano. Antes de esta reionización, el universo era casi homogéneo, pero inestabilidades gravitacionales convirtieron el fluido cósmico en una estructura de tela de araña compuesta de cúmulos, filamentos y vacíos [ver aquí]. El gas continúa acretando supersónicamente sobre estas estructuras, lo que produce alto número de ondas de choques supersónicas que generan vórtices, y con ellos turbulencia,. El resultante plasma ionizado en rotación lleva corrientes eléctricas y campos magnéticos, y la turbulencia en estos fluidos cósmicos conductores se cree que desempeña un papel importante en la determinación de la evolución del universo en una extensa gama de escalas de longitud.


 
figura 1.Esquema del experimento llevado a cabo por Gregory Howes ,las ondas Alfvén en contrapropagación,las cuales viajan paralelas a un campo magnético aplicado son generadas desde una antena enlazada y otra antena ASW .La interacción no lineal de las dos ondas resulta en una tercera onda la cual tiene frecuencia y número de onda igual a la suma de las frecuencias y números de ondas de las ondas que interactúan.Crédito.G. G. Howes.


A pesar de que está en una escala de longitud muy diferente, el estudio del plasma en el laboratorio nos puede enseñar acerca de la física de su contraparte astrofísica. Ahora, escribiendo en Physical Review Letters, Gregory Howes, de la Universidad de Iowa, y sus colaboradores han logrado un gran avance en la observación de que una interacción no lineal entre dos ondas magnéticas, conocidas como ondas Alfvén, pueden generar ondas "hijas" con una longitud de onda más corta (ver aquí). La interacción no lineal se cree que es el principal mecanismo por el cual se transfiere el movimiento turbulento de los plasmas astrofísicos a escalas de longitud cada vez más pequeñas , y los nuevos experimentos ofrecen la oportunidad de estudiar las condiciones en que se produce. La turbulencia es un factor fundamental en muchas escalas de longitud, desde las galaxias y cúmulos de galaxias, a la corona solar, hasta nuestra propia magnetosfera alrededor de la Tierra. La dinámica de la turbulencia dicta que hay un flujo de energía transportada por el fluido bariónico (es decir, el plasma que constituye casi todo el Universo visible) y que se transporta desde una escala más grande a una más pequeña. Este flujo de energía continúa hasta que finalmente se disipa en calor por efectos cinéticos o colisiones atómicas. ¿Cómo esta "cascada" de procesos en realidad se lleva a cabo en un plasma conductor sigue siendo una cuestión abierta. Particularmente problemático es el hecho de que, a diferencia de la turbulencia hidrodinámica ordinaria típica de fluidos terrestres, el plasma cósmico está trenzado por un campo magnético, lo que añade un número considerable de complicaciones en la identificación del origen de la cascada [ver aquí]. Ha pasado más de medio siglo desde que la importancia del efecto del campo magnético sobre la turbulencia fue reconocido[ver aquí y aquí], pero aún así, nuestra comprensión de la turbulencia del plasma magnetizado está lejos de ser completa. Las simulaciones numéricas han avanzado significativamente nuestro conocimiento, pero no sin sus limitaciones. Incluir toda la física pertinente sobre las necesariamente grande escalas de longitud es imposible, incluso con las mayores instalaciones informáticas disponibles en la actualidad. La solución del conjunto reducido de ecuaciones magnetohidrodinámicas (MHD) es un lugar común, pero incluso en este caso, no hay acuerdo entre las interpretaciones. Las observaciones astrofísicas y en las mediciones in situ de las naves espaciales pueden dar una orientación, pero carecen de la resolución necesaria para resolver las escalas cinéticas de interés. Es en este contexto que los experimentos de laboratorio proporcionan una herramienta muy valiosa para ayudarnos a entender cómo funciona la turbulencia. Las ecuaciones magnetohidrodinámicas que describen el plasmas son invariables cuando son escaladas desde tamaños cósmicos (kilómetros y mayores) a metros (el tamaño aproximado de las cámaras de plasma experimental), pero sólo bajo ciertas condiciones: las proporciones de calor por convección al de conducción (el número de Peclet), de las fuerzas inerciales a la viscosidad (el número de Reynolds), y de las fuerzas inerciales a la difusividad magnética (el número de Reynolds magnético) todas debe ser grande en comparación con la unidad. Esencialmente, estos requisitos significan que la viscosidad, resistividad, y la conducción térmica se pueden despreciar en una amplia gama de escalas espaciales y temporales. Si se cumplen estas condiciones, es posible escalar experimentos a escalas de longitud y tiempo pertinente a los plasmas espaciales o astrofísicos [ver aquí]. La similitud entre los sistemas del laboratorio y astrofísicos ha sido explotada en experimentos de plasma- láser para investigar la formación de estructuras de choque sin colisiones [ver aquí], la generación de semillas magnética en choques [ver aquí], y para explorar la auto-organización en plasmas turbulentos [ver aquí]. En su experimento, Howes se centra en las interacciones fundamentales que facilitan la cascada de energía magnetohidrodinámica. Explotando las capacidades únicas de experimentación del dispositivo de plasma de gran tamaño (LAPD), una instalación científica básica operada en la Universidad de California, en Los Ángeles, el equipo ha estudiado los componentes básicos de la turbulencia del plasma astrofísico. El LAPD es un dispositivo de descarga pulsada que produce una columna de plasma magnetizado con un muy buen grado de reproducibilidad. Un aspecto importante del LAPD es la posibilidad de conducir las ondas Alfvén-una especie de onda hidrodinámica en un plasma, cuya frecuencia es inferior a la frecuencia ciclotrón de iones [ver aquí]. El elemento clave en la investigación de Howes es la interacción no lineal entre tales ondas Alfvén (ver fig. 1). Estas ondas MHD se propagan a lo largo de la dirección de las líneas del campo magnético. Al igual que otras ondas, sus oscilaciones puede ser descritas en términos de una frecuencia ω de oscilación (o energía ħω) y número de onda k, o equivalentemente una escala espacial ℓ = 2π/k. En plasmas astrofísicos,las ondas Alfvén se cree que están continuamente excitadas por una variedad de procesos turbulentos, y la interacción no lineal de ondas múltiples es probable que ocurra. Utilizando el pristino entorno de plasma proporcionado por el LAPD, Howes ha aislado la interacción de dos ondas Alfvén en contrapropagación que están polarizadas de manera que una transferencia no lineal de energía es favorable (véase la fig. 1). Lo que encuentran es que las ondas que interactúan generan una tercera onda (una onda hija) con una frecuencia y un vector de onda que son la suma de las dos anteriores ondas, de acuerdo con las predicciones teóricas y satisfasciendo la conservación de la energía y el momento.Estos resultados proporcionan una clara demostración de la transferencia de energía a una escala menor, debido a que el número de onda de la onda hija es más grande que las ondas de los padres, por tanto, su escala de longitud es más corta asociada. Este proceso tiene lugar a través de la interacción no lineal de ondas de Alfvén, y sirve como una validación para el mecanismo físico que media la cascada de energía de la turbulencia MHD. Aunque este descubrimiento apasionante ya fue predicho por la teoría de MHD incompresible, su demostración por vez primera en un entorno de laboratorio nos da un importante sistema modelo que vincula la turbulencia en el laboratorio a los sistemas de mayor escala. El trabajo de Howes,representa un nuevo enfoque en los estudios de turbulencia astrofísica. Como comentario general sobre el estado de la técnica,los laboratorios de astrofísica han llegado a un punto donde las preguntas importantes sobre la propiedades de los sistemas astrofísicos pueden abordarse en experimentos complementarios a las observaciones y simulaciones numéricas.





artículo del físico Gianluca Gregori para Physics.aps.






fuente de la información:





http://physics.aps.org/articles/v5/141