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Buscando la Gravedad cuántica

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (4)

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 Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “supergravedad”, “súpersimetría”, “supercuerdas” “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo o gran teoría unificada”.

Ahí tenemos unas matemáticas exóticas que ponen de punta hasta los pelos de las cejas de algunos de los mejores matemáticos del mundo (¿y Perelman? ¿Por qué nos se ha implicado?). Hablan de 10, 11 y 26 dimensiones, siempre, todas ellas espaciales menos una que es la temporal. Vivimos en cuatro: tres de espacio (este-oeste, norte-sur y arriba-abajo) y una temporal. No podemos, ni sabemos o no es posible instruir, en nuestro cerebro (también tridimensional), ver más dimensiones. Pero llegaron Kaluza y Klein y compactaron, en la longitud de Planck las dimensiones que no podíamos ver. ¡Problema solucionado!

¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas?

         Ni vemos la longitud de Planck ni las dimensiones extra

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y, a los teóricos, se les regaló una herramienta maravillosa. En el Hiperespacio, todo es posible. Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí si es posible encontrar esa soñada teoría de la Gravedad cuántica.

Así que, los teóricos, se han embarcado a la búsqueda de un objetivo audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intenso calor del universo en sus primeros tiempos, una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas. Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

¿Dónde radica el problema?

         Nuestro es tridimensional y no podemos ver otro más allá… ¡si existe!

El problema está en que la única teoría candidata no tiene conexión directa con el mundo de la observación, o no lo tiene todavía si queremos expresarnos con propiedad. La energía necesaria para ello, no la tiene ni el nuevo acelerador de partículas LHC que con sus 14 TeV no llegaría ni siquiera a vislumbrar esas cuerdas vibrantes de las que tanto se habla.

La verdad es que, la teoría que ahora tenemos, el Modelo Estándar, concuerda de manera exacta con todos los datos a bajas energías y contesta cosas sin sentido a altas energías.

Con sus 20 parámetros aleatorios (parece que uno de ellos ha sido hallado -el bosón de Higgs-), el Modelo estándar de la f´çisica de partículas que incluye sólo tres de las interacicones fundamentales -las fuerzas nucleares débil y fuerte y el electromagnetismo-, ha dado un buen resultado y a permitido a los físicos trabajar ampliamente en el conocimiento del mundo, de la Naturaleza, del Universo. Sin embargo, deja muchas preguntas sin contestar y, lo cierto es que, se necesitan nuevas maneras, nuevas formas, nuevas teorías que nos lleven más allá.

¡Necesitamos algo más avanzado!

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las partículas que conocemos y están incluidas en el Modelo estándar, se nos ha dicho que ha sido encontrada pero, nada se ha dicho de cómo ésta partícula transmite la masa a las demás. Faltan algunas explicaciones.

El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resulto ser complejo lleno de esas infinitesimales partículas electromagnéticas que bautizamos con el nombre de electrones, resultó que tenía un núcleo que contenía, a pesar de ser tan pequeño, casi toda la masa del átomo. El núcleo, tan pequeño, estaba compuesto de otros objetos más pequeños aún, los quarks que estaban instalados en nubes de otras partículas llamadas gluones y, ahora, queremos continuar profundizando, sospechamos, que después de los quarks puede haber algo más.

¿Acaso las partículas circulan por el campo de Higgs y se ven frenadas por éste que les adosa la masa?

Bueno, la idea nueva que surgió es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes. Es decir, que si miramos a las estrellas en una noche clara estamos mirando el campo de Higgs. Las partículas influidas por este campo, toman masa. Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (gauge) de los que hemos comentado, del campo gravitatorio o del electromagnético. Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquiriría energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra.

Como E=mc2, ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del Sistema Tierra-bloque de plomo. Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein. La masa, m, tiene en realidad dos partes. Una es la masa en reposo, m0, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo. La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el acelerador de partículas, o los muones, que aumentan varias veces su masa cuando son lanzados a velocidades cercanas a c) o en virtud de su energía potencial de campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos. Por ejemplo, si separamos el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Peor la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos familiares. La masa tomada de Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más

apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera toda la masa en reposo. Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas.

Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones, nos recuerda el descubrimiento por Pieter Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo. El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta ahora no tenemos ni idea de que reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC). Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas –Las masas de los W+, W-, y Zº, y el up, el down, el encanto, el extraño, el top y el bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

               No dejamos de experimentar para saber ccómo es nuestro mundo, la Naturaleza, el Universo que nos acoge

Las masas van de la del electrón 0’0005 GeV, a la del top, que tiene que ser mayor que 91 GeV. Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil (Weinberg-salam). Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnéticas y débiles. En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa –los W+, W-, Zº y fotón que llevan la fuerza electrodébil. Además está el campo de Higgs, y, rápidamente, los W y Z chupan la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa. La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos. Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil. Y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que Gerard ^t Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera esta libre de infinitos.

Relatividad y Gravedad Cuántica. Universidad de Cambridge.
Relatividad y Gravedad Cuántica. Universidad de Cambridge.
Roger Penrose es uno de los nuevos humanistas del siglo que se ha interesado por los problemas de las matemáticas, de la física, de la biología, de la psicología y de la filosofía. Siguiendo el modelo de Popper de los tres mundos, ha trabajado sobre la flecha del mundo 1 de la física, al mundo 2 de la conciencia, y del mundo 3 de las matemáticas, al mundo 1.

En esta última dirección ha publicado numerosos libros y artículos, donde aborda la asignatura pendiente de la unificación de la mecánica cuántica y la teoría del campo gravitatorio. El camino que ha seguido Penrose es encontrar una base común a ambas.

Para ello ha introducido dos modelos: los “spin networks” y los “twistors”, el primero discreto, con una métrica intrínseca, no relativista, previo al concepto de espacio, el segundo continuo, con una métrica extrínseca, relativista e inmerso en un espacio-tiempo dado.

 Claro que son varias las corrientes que quieren abrirse camino hacia otras físicas nuevas.

 

La teoría de supercuerdas tiene tantas sorpresas fantásticas que cualquiera que investigue en el tema reconoce que está llena de magia. Es algo que funciona con tanta belleza… Cuando cosas que no encajan juntas e incluso se repelen, si se acerca la una a la otra alguien es capaz de formular un camino mediante el cual, no sólo no se rechazan, sino que encajan a la perfección dentro de ese sistema, como ocurre ahora con la teoría M que acoge con naturalidad la teoría de la relatividad general y la teoría mecánico-cuántica; ahí, cuando eso se produce, está presente la belleza.

Lo que hace que la teoría de supercuerdas sea tan interesante es que el marco estándar mediante el cual conocemos la mayor parte de la física es la teoría cuántica y resulta que ella hace imposible la gravedad. La relatividad general de Einstein, que es el modelo de la gravedad, no funciona con la teoría cuántica. Sin embargo, las supercuerdas modifican la teoría cuántica estándar de tal manera que la gravedad no sólo se convierte en posible, sino que forma parte natural del sistema; es inevitable para que éste sea completo.

 

¿Por qué es tan importante encajar la gravedad y la teoría cuántica? Porque no podemos admitir una teoría que explique las fuerzas de la naturaleza y deje fuera a una de esas fuerzas. Así ocurre con el Modelo Estándar que deja aparte y no incluye a la fuerza gravitatoria que está ahí, en la Naturaleza.

La teoría de supercuerdas se perfila como la teoría que tiene implicaciones si tratamos con las cosas muy pequeñas, en el microcosmos; toda la teoría de partículas elementales cambia con las supercuerdas que penetra mucho más; llega mucho más allá de lo que ahora es posible.

 

 

 

La topología es, el estudio de aquellas propiedades de los cuerpos geométricos que permanecen inalteradas por transformaciones continuas. La topología es probablemente la más joven de las ramas clásicas de las matemáticas. En contraste con el álgebra, la geometría y la teoría de los números, cuyas genealogías datan de tiempos antiguos, la topología aparece en el siglo diecisiete, con el nombre de analysis situs, ésto es, análisis de la posición.

De manera informal, la topología se ocupa de aquellas propiedades de las figuras que permanecen invariantes, cuando dichas figuras son plegadas, dilatadas, contraídas o deformadas, de modo que no aparezcan nuevos puntos, o se hagan coincidir puntos diferentes. La transformación permitida presupone, en otras palabras, que hay una correspondencia biunívoca entre los puntos de la figura original y los de la transformada, y que la deformación hace corresponder puntos próximos a puntos próximos. Esta última propiedad se llama continuidad, y lo que se requiere es que la transformación y su inversa sean ambas continuas: así, trabajarnos con homeomorfismos.

 

 

En cuanto a nuestra comprensión del universo a gran escala (galaxias, el Big Bang…), creo que afectará a nuestra idea presente, al esquema que hoy rige y, como la nueva teoría, el horizonte se ampliará enormemente; el cosmos se presentará ante nosotros como un todo, con un comienzo muy bien definido y un final muy bien determinado.

Para cuando eso llegue, sabremos lo que es, como se genera y dónde están situados los orígenes de esa “fuerza”, “materia”, o, “energía” que ahora no sabemos ver para explicar el movimiento de las galaxias o la expansión del espacio mismo.

emilio silvera


  1. Buscando la Gravedad cuántica : Blog de Emilio Silvera V., el 8 de febrero del 2014 a las 10:09

    [...] la Gravedad cuántica : Blog de Emilio Silvera V. en ¡El futuro incierto!emilio silvera en Buscando la Gravedad cuánticaemilio silvera en La vida y la muerte de las partículasingenieria en La Física relativista, la [...]

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 21 de octubre del 2013 a las 11:58

    En el título de este trabajo se dice: “Buscando la Gravedad Cuántica”, en referencia a esa Teoría que quiere casar a la Relatividad de Eintein (La Gravedad de su Relatividad General), con la Cúantica (El Cuanto) de Planck. Ambas teorías, hasta el momento, han resultado ser incompatiblres. La de Planck domina el reino de lo muy pequeño, mientras que la de Einstein domina el macrocosmos de las galaxias.
    Cuando los físicos han intentado unirlas, aunque el planteamiento parezca perfecto, lo cierto es que, los resultados han resultado ser catastróficos y un galimatias de infinitos sin sentido ha sido la respuesta obtenida a preguntas “muy bien” formuladas.
    Desesperados, los físicos no encontrando otro camino, han tenido que echar mano de nuevo a una versión ampliada de la Teoría Kaluza-Klein (en 5 dimensiones) que han ampliado a 10, 26 y 11 que, resulta ser la más idónea (según parece), la Teoría M que recoge un compendio de todas las demás.
    Al menos, matemáticamente, sí han encontrado la Gravedad cuantica, es decir, han conseguido casar a las dos díscolas Teorías: La Relatividad y la Cuántica que, no sólo están dentro de la Teoría de Cuerdas sino que, en realidad se complementan y están instaladas pacíficamente en ella sin que surjan los infinitos dichosos.
    Parecese ser que la Gravedad cuántica subyace en la Teoría de Cuerdas y, una cosa buena ha sido detectada en la teoría M (y en las otras), toda vez que, cuando los físicos están desarrollándola, sin que nadie las llame, allí aparecen las ecuaciones de Campo de Einstein de la Relatividad General y, tal aparición nos habla de que van por buen camino, de que la Teoría de Einstein subyace en la Teoría de Cuerdas y de que, la Teoría de cuerdas es una Teoría del futuro que se adelantó a su tiempo, toda vez que, no tenemos aún los medios para poder corroborarla mediante el experiemento, ya que, las energías necesarias para ello, no están a nuerstro alcance: 1019 GeV, es la energía de Planck, inalcanzable en nuestro tiempo.
    Tendremos que esperar mucho, mucho, muchísimo tiempo para poder verificar la Teoría de Cuerdas. ¡Lástima!
    Pero, amigos míos, así es la física: Poco a poco viajamos hacia el futuro lejano.

    Responder
  2. 2
    Josep Martí
    el 7 de febrero del 2014 a las 21:45

    Hola Emilio Silvera.
    Me ha gustado mucho el relato. Es la pura realidad plasmada en esas pocas palabras.
    Cuando los físicos han intentado unirlas, aunque el planteamiento parezca perfecto, lo cierto es que, los resultados han resultado ser catastróficos y un galimatías de infinitos sin sentido ha sido la respuesta obtenida a preguntas “muy bien” formuladas.
    Es una lástima que no entiendan lo quieren decir y representan esos infinitos.
    Ese talón de AQUILES del sistema de cálculo.
    La ESENCIA DE LA GRAVEDAD, tal como dijo en su día Newton, de cual el no hacia ninguna hipótesis y solo creaba teorías para calcular los efectos que ejercía sobre los graves. Lo mismo que es la Relatividad General.
    Para entender la Gravedad, tenemos reaprender de los antiguos y no olvidar sus lecciones.
    Por desgracia el universo matemático no siempre es compatible con el Universo físico.
    Los infinitos, son la advertencia que las unidades han dejado de ser compatibles.
    Un cordial saludo.
     
    Josep

    Responder
    • 2.1
      emilio silvera
      el 8 de febrero del 2014 a las 9:47

      Saludos Josep.
      Lo cierto es que nos queda un largo camino por recorrer y, son muchas las cosas que no entendemos. Como nos dijo el filósofo: “Cuanto más profundizo en el conocimiento de las cosas, más consciente soy de lo poco que se. Mis conocimientos son limitados, mi ignorancia… ¡infinita!
      Así hemos venido recorriendo el largo camino que la Humanidad ha dejado marcado desde la noche de los tiempos, aprendiendo de las equivocaciones y siempre conjeturando sobre lo que esto o aquello podría ser. El pensamiento hindú ya dejó huellas de que elucubraba con el “vacío” y el “átomo” y la “sustancia cósmica”, la intuición de nuestra especie la llevó a poder descubrir de qué está hecha la materia y también (aunque no plenamente), con las fuerzas fundamentales que interaccionaba en este Universo nuestro.
      La física y la cosmología, como las demás disciplinas del saber humano, están bastante avanzadas si tenemos en cuenta que, en relación con la edad del universo (13.700 millones de años), nosotros sólo llevamos aquí el tiempo que tardan las pestañas en parpadear. Somos unos recien llegados a pesar de que, nuestra sensación (engañosa), sea la de que llevamos aquí mucho, mucho, muchísimo tiempo.
      Esperémos que la Naturaleza nos respete y deje que transcurra el tiempo necesario para poder “saber” lo que el Universo es. Esas leyes fundamentales que conocemos en gran parte y que, en algún caso (como el de la Gravedad), se guarda algún secretillo que nos hace tener que seguir buscando.
      ¡Lo grande y lo pequeño! Tiene que existir alguna forma de que la Mecánica cuántica y la Relatividad general se puedan juntar, toda vez que, ambas, forman parte de un todo que no hemos llegado a comprender. Algunos dicen que no existen aún las matemáticas necesarias para exponer y formular dicha unión.
      ¡Seguiremos buscando!
      Saludos amigo.

      Responder

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