domingo, 24 de enero del 2021 Fecha
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Intrincada búsqueda: ¡La Gravedad cuántica!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (3)

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Cuando hablamos de Gravedad cuántica, estamos tratando de abarcar mucho más, de lo que en realidad podemos. Esas sencillas palabras ¡Gravedad cuaántica!, están apuntando hacia un horizonte hasta el momento presente inalcanzable y que, integra muchas ideas e intuiciones que los físicos teóricos han expuesto con generosidad.
“La naturaleza de la conciencia humana, que Penrose opina no es de naturaleza puramente algorítmica sino que incluiría elementos no computables. Penrose apunta que una teoría cuántica de la gravitación debería ser no lineal, y si bien podría ser realmente determinista sería claramente no computable lo que explicaría que los fenómenos cuánticos de medición nos parecieran impredecibles tal como realmente observamos.

También una teoría cuántica de la gravedad debería ampliar nuestro conocimiento de efectos cuánticos predichos por enfoques tentativos de otras teorías cuánticas, como la existencia de radiación de Hawking.”

¡Y mucho más sobre este mismo tema!

 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 poder contemplar esas cuerdas vibrantes si es que están allí?

         Ni vemos la longitud de Planck ni las dimensiones extra y, nos dicen que para poder profundizar hasta esa distancia, necesitamos disponer de la Energía de Planck, es decir 1019 GeV, una energía que ni en las próximas generaciones estará a nuestro alcance. Pero mientras tanto, hablamos de que, en 2.015, el LHC buscará las partículas de la “materia oscura”. ¡Qué gente!

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 universo ¿es tridimensional y no podemos esas dimensiones extra de las que tanto hablan en las teorías más avanzadas pero, no verificadas?

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 antes os hablaba.

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. Ya sabéis lo que pasa cuando queremos juntar la relatividad con la cuántica: ¡Aparecen los infinitos que no son renormalizables!

Con sus 20 parámetros aleatorios (parece que uno de ellos ha sido hallado -el bosón de Higgs-), el Modelo estándar de la física 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 y el hallazgo ha merecido el Nobel de Física. Sin embargo… 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.

¿Es el efecto frenado que sufren las partículas que corren por el océano de Higgs, el que les da 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 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. Hay otra 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. Complejos mundos que finalmente están conectados por esos hilos invisibles que mantiene al universo unido en todas sus partes, ¡las que piensan también!

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 anómalo movimiento de las galaxias o la expansión del espacio que corre sin freno hacia… ¿Otro universo que tira del nuestro, como ocurren con las galaxias que terminan por fusionarse?

emilio silvera

Evadirse del mundo de vez en cuando… ¡Es bueno para la mente!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Arte    ~    Comentarios Comments (8)

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Sarah Brightman – Live In Vienna COMPLETE – YouTube

 

 

catedral de viena

 

La Catedral de San Esteban de Viena

 

 

 

En este  incomparable marco de la inmensa Catedral de Viena, con las adecuadas luces y con un público que abarrotaba cada rincón del recinto, la cantante Sarah Brightman dio un concierto que, quisiera compartir con ustedes. Está bien que hablemos de Física y Astronomía, de posibles seres de otros mundos, de la mente y la filosofía pero, de vez en cuando, necesitamos evadirnos de este mundo nuestro… sin que tengamos que salir de él.
                                          Escuchemos un rato su voz y olvidemos la fealdad del mundo
emilio silvera

 

¡La Física! ¿Estará perdiendo el Norte?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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¿Queremos imitar el salto cuántico para viajar más rápido?

A finales del siglo XIX y principios del XX algunos podían creer que los secretos de la Naturaleza estaban todos descubiertos gracias a los descubrimientos que en el pasado hicieran Newton y otros y más recientemente Maxwell, Planck, Einstein y otros muchos que, con sus trabajos nos desvelaron cómo funcionaba la gravedad, qué era en realidad la electricidad y el magnetismo y también, nos llevaron hasta el fascinante mundo de lo muy pequeño con la mecánica cuántica.

La mecánica, la óptica, la electricidad… todo estaba descubierto y explicado. Los científicos de la época pansaban que sus futuros colegas sólo se dedicarían a realizar medidas para obtener las constantes con mayor precisión cada vez. Después de todo aquello, se siguió avanzando y continuamos haciéndonos prguntas creyendo que nos llevarían a las respuestas últimas.

Si, por ejemplo, las supercuerdas nos conducen a las respuestas últimas, entonces, ¿en qué dirección debemos continuar nuestra investigación?, ¿es que nos hemos introducido tanto en el mundo de lo desconocido y lo ininteligible que estamos a punto de ahogarnos en un mar de lo absurdo?, ¿estamos enterrados bajo tántas preguntas de los imposibles que deberíamos considerarnos perdidos?, ¿tiene algún sentido especular acerca de la “Teoria de Todo” en mundo extraño de los números de Planck?

Bueno, si queremos ser sinceros…, podemos discrepar de algunas de las cuestiones que hoy se están debatiendo y ser críticos con otras. Sun ebargo, no podremos negar los avances que realmente se están logrando en el mundo de las nuevas tecnologías que, gracias a la Física, ya están en el futuro y, en nuestras vidas cotidianas lo estamos viendo continuamente.

Por otra parte, nada despierta más nuestra curiosidad que lo ininteligible y, precisamente por eso, tiene tanto éxito y llama la atención teorías como la de las supercuerdas. Miremos, por ejemplo, lo que es tan curioso en el mundo de la longitud de Planck es que no podemos encontrar absolutamente ningún modelo que nos pueda dar una descripción razonablemente autoconsistente de partículas que interaccionan entre sí con fuerzas gravitatorias tan intensas y que, al mismo tiempo, abedezcan a las leyes de la mecánica cuántica. Por tanto, incluso si hubiéramos sido capaces de realizar experimentos con choques de partículas con energías planckianas, no hubiéramos sabido como comparar los resultados con una teoría. Aquí hay trabajo para los físicos: hacer una teoría. No nos importa demasiado como describa esa teoría la interacción gravitatoria, perom tenemos suficientes requisitos en la lista como para que encontrar  esa candidata a ser la teoría sea una labor extremadamente difícil. La Teoría de Supercuerdas parecía estar a punto de conseguirlo, pero falló en los últimos momentos.

Mientras buscamos esas teorías que están más allá de nuestras posibilidades reales de hoy, la Ciencia no se para y sigue avanzando en otros muchos campos que, como antes decía, nos están llevando a pasos agigantados hacia un futuro que ya está con nosotros y, lo está haciendo con tal rapidez que ni nos hemos percatado de ello.

En cuanto a esa soñada Teoria de Todo, en primer lugar debe ser matemáticamente exacta y tiene que permitirnos calcular con extrema precisión el comportamiento de las partículas bajo todas las circunstancias imaginables. Por ahí circulan una y mil “teorías” que exponen las ideas más variopintas que imaginarnos podamos pero, desgraciadamente son inñutiles para los físicos porque sus desripciones no reúnen el rigor ni la prcisión que deben estar presentes en toda buena teoría. Por otra parte, los físicos prefieren que la teoría trate la fuerza gravitatoria de tal manera que esté de acuerdo con la obtenida en la formulación de la teoría de la relatividad general de Einstein. Sabemos que la fuerza gravitatoria entre cuerpos pesados como las estrellas y los planetas obedece a esta teoría con gran exactitud (como ha sido confirmado espectacularmente en las observaciones de los púlsares, estrellas compactas que rotan a gran velocidad. Nuestra teoría candidata debería explicar estas observaciones.

No digamos de los intrincados caminos que la Física ha sobrevolado cuando se ha querido meter en la posibilidad de hacer viajes en el Tiempo y, los físicos se encontraron con una y mul paradojas extrañas. Además, como nos ocurre con la Teoría de cuerdas, al meternos en un sendero desconocido y de intrincados peligros…nunca hemos podido llegar al final después de largos y costosos recorridos. ¿Servirá para algo los muchos esfuerzos realizados?

Por otra parte somos conscientes y conocedores de que las leyes de la mecánica cuántica son inexorables y, por tanto, queremos que nuestra teoría sea formulada en términos de la mecánica cuántica. Tanto la mecánica cuántica como la teoría de la relatividad tienen la propiedad de que, tan pronto como uno admita la más pequeña desviación de esos principios, ambas darían lugar a una teoría totalmente diferente, que de ninguna manera se parecería al mundo que conocemos (o pensamos conocer). “Un poco relativista” o “un poco mecanicuántico” tiene tan poco sentido como “un poco embarazado”. Podríamos imaginar, por otra parte, que la mecánica cuántica o la relatividad general, o ambas, serían marcos demasiado restrictivos para nuestra avanzada teoría, de manera que habaría que extender sus principios.

Diferencias en partículas y formas entre el modelo estándar y la Teoría de Cuerdas

La cuerda es cuántica y gravitatoria, de sus entrañas surge, como por arte de magia, la partícula mensajera de la fuerza de gravedad: el gravitón. Funde de forma natural las dos teorías físicas más poderosas de que disponemos, la mecánica cuántica y la relatividad general, y cuando se convierte en supercuerda -con mayores grados de libertad- es capaz de describir bosones y fermiones, partículas de fuerza y de materia. La simple vibración de una cuerda infinitesimal podría unificar todas la fuerzas y partículas fundamentales.

Parece que todo está hecho de cuerda, incluso el espacio y el tiempo podrían emerger de las relaciones, más o menas complejas, entre cuerdas vibrantes. La materia-materia, que tocamos y nos parece tan sólida y compacta, ya sabíamos que está casi vacía, pero no imaginábamos que era tan sutil como una cuerda de energía vibrando. Los átomos, las galaxias, los agujeros negros, todo son marañas de cuerdas y supercuerdas vibrando en diez u once dimensiones espaciotemporales.

Está claro que no trato de explicar aquí una teoría que no comprendo y, el tratar el tema se debe a la curiosidad de tratar de indicar el camino, o, los caminos, por los que se podría llegar más lejos, al menos, algo más allá.

En el universo existen numerosas estrellas cuyas masas son considerablemente mayores que las del Sol, debido a lo cual, la fuerza gravitotoria en su superficie es considerablemente más intensa que sobre la Tierra o sobre el Sol. La enorme cantidad de materia de una de esas estrellas causa una presión inimaginablemente alta en su interior, pero como  las tenperaturasd en el interior de las estrellas es también altísima, se produce una presión contraria que evita que la estrella se colapse. La estrella, sin embargo, pierde calor continuamente. Al proncipio de su vida, en las estrellas se producen todo tipo de reacciones nucleares que mantienen su temperatura alta y que incluso la pueden elevar, pero antes o después el combustible nuclear se acaba. Cuanto más pesada sea la estrella, mayor es la prsión y la temperatura, y más rápidamente se consume su combustible. La contrapresión disminuye progresivamente y la estrella se va colapsando bajo la presión. según dismunye el tamaño de la estrella, la fuerza gravitatoria aumenta hasta que finalmente se produce una implosión -un colapso repentino y completo- que no puede ser evitado por más tiempo.

Según todos los indicios, cuando la estrella es muy masiva, la Improsión finaliza convirtiendo a la estrella en un A. N., pero antes, explota como supernova y llena el espacio de los materiales coplejos que han sido fabricados en sus hornos nucleares, siembra el espacio con una Nebulosa de la que, años más tardes, nacerán nuevas estrellas y nuevos mundos…Y, ¿quién sabe!

A menudo esta implosión libera tanto calor que las capas exteriores de la estrella explotan por la presión de la radiación, y la implosión queda interrumpida produciéndose una esfera extremadamente compacta de “material nuclear” que conocemos como una estrella de neutrones. Algunas veces, estas estrellas de neutrones rotan con una tremenda velocidad (más de 500 revoluciones/segundo), y, debido a irregularidades en la superficie, emiten una señal de radio que pulsa con esa velocidad.

Si todos estos sucesos pudieran ser observados desde una distancia segura, las señales emitidas por el material durante la implosión pronto serían demasiado débiles para ser detectadas y, en el caso de un afgujero negro, el objeto se vuelve de ese color y desaparece de nuestra vista convertido en una “bola de gravedad pura”, se pueden calcular sus propiedades con precisión matemática. Sólo se necesitan tres parámetros para caracterizar completamente al agujero negro: su masa, su movimiento angular (cantidad de movimiento de rotación) y su carga eléctrica.

También se puede calcular como se comportan los chorros de partículas cuando se aventuiran cerca del agujero negro. Hawking ya nos habló de ello y explicó con suficiente claridad, lo que pasaba era que, en contra de lo que pudiéramos pensar, el agujero emite un débil flujo de partículas en ciertas circunstancias. ¿Esas partículas son reales! Cada Agujero Negro está emitiendo un flujo constante de partículas de todas las especies concebibles.

Es cierto que nunca hemos podido estar tan cerca de un agujero negro como para poder comprobar, in situ, la radiación Hawking que, para su formulación, sólo utilizó leyes bien establecidas de la naturaleza y que, por tanto, el resultado debería ser incuestionable, pero no es del todo cierto por dos razones.

La primera razón es que nunca (como he dicho) hemos sido capaces de observar un agujero negro de cerca y mucho menos de un tamaño tan pequeño que su radiación Hawking pueda ser detectada. Ni siquiera sabemos si tales miniagujeros negros existen en nuestro universo, o si sólo forman una minoría extremadamente escasa entre los objetos del cielo. Aunque pensemos conocer la teoría, no nos hab´ria hecho ningún daño haber podido comprobar sus predicciones de una forma o de otra. ¿Sucede todo exactamente como pensamos actualmente que debería suceder?

Otros, como Gerald ´t  Hooft, consiguieron construir otro tipo de teorías alternativas y le dieron resultados distintos a los de Hawking, en la que el Agujero Negro podia radiar con una intensidad considerablemente mayor que la que la teoría de Stephen predecía.

Hay un aspecto relacionado con la radiación Hawking mucho más importante. El agujero negro disminuye su tamaño al emitir partículas, y la intensidad de su radiación crece rápidamente según se reduce su tamaño. Justo antes de llegar a los estadios finales, el tamaño del agujero negro se hará comparable a la longitud de Planck y toda la masa llegará a ser sólo un poco mayor que la masa de Planck, Las energías de las partículas emitidas corresponderan a la masa de Planck.

¡Solamente una teoría completa de la Gravedad Cuántica podrá predecir y describir exactamente lo que sucede al agujero negro en ese momento! es la importancia de los Agujeros Negros para la teoría de partículas elementales en la Longitud de Planck. Los agujeros negros serían un laboratorio ideal para experimentos imaginarios. Todos alcanzan, por sí mismos, el régimen de energía de los números de Planck, y uhna buena teoría debe ser capaz de decirnos como calcular en ese caso. Durante casi una década, Gerad ´t Hoofft ha resltando esa objeción en la teoría de supercuerdas: no nos dice nada de los agujeros negros y mucho menos de cómo un agujero negro puede comenzar su vida como un agujero negro de tamaño “astronómico” y acabar su vida explosivamente.

Lo cierto es que, andamos un poco perdidos y no pocos físicos (no sabemos si de forma interesada), insisten una y otra vez, en cuestiones que parecen no llevar a ninguna parte y que, según las imposibilidades que nos presentan esos caminos, no sería conveniente elegir otros derroteros para indagar nuevas físicas mientras tanto, avanzan las tecnologías, se adquieren más potentes y nuevas formas de energías que nos puedan permitir llegar a sondear las cuerdas y poder vislumbrar si, es cierto, que pueda existir alguna “materia oscura”, o, si existen bosones dadores de masa, o…¡tántas cosas más que, la lista, sería interminable! de las cosas que no sabemos.

emilio silvera

¡Viajes en el Tiempo! ¿Otro sueño?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (31)

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¿Viajar en el Tiempo?

Cuando teorizamos sobre esta posibilidad, son millones de escenarios los que acuden a nuestras mentes, y, desde organizar safaris a la era Mesozoica para capturar grandes dinosaurios, hasta eliminar a los grandes criminales de la Historia, o, hacernos presentes entre aquellas Civilizaciones del pasado para comprobar in situ como vivían y se desenvolvían en su quehacer cotidiano y, en fin, sea con interés científico o con ese otro egoísta que sólo pensaría en un enriquecimiento fácil, la idea de viajar en el Tiempo ha sido y lo sigue siendo un motor que pone en marcha nuestra imaginación, pero, ¿sería posible?

Thorne, Guth y Freund nos dirían que la escala de energía para investigar estas anomalías en el espacio que podríamos llamar Agujeros de Gusano está mucho más allá que cualquier cosa disponible en la Tierra. Freund nos recuerda que la energía necesaria para explorar la décima dimensión es mil billones de veces mayor que la energía que puede producirse en nuestros mayores colisionadores de átomos.

Retorcer el espacio-tiempo en nudos requiere energía a una escala que no estará disponible en los próximos siglos o incluso milenios –si lo está alguna vez. Incluso si todas las naciones del mundo se unieran para construir una máquina que pudiera sondear el hiperespacio, fracasarían en última instancia. Y, como apunta Guth, las temperaturas necesarias para crear un universo bebé en el laboratorio son de mil billones de billones de grados, excesivamente lejos de cualquier cosa a nuestra disposición. De hecho, dicha temperatura es mucho mayor que cualquiera encontrada en el interior de una estrella. Así, aunque es posible que las leyes de Einstein y las leyes de la teoría cuántica pudieran permitir el viaje en el tiempo, esto no está dentro de las capacidades de los seres terrestres como nosotros, que apenas podemos escapar del débil campo gravitatorio de nuestro planeta. Aunque podemos maravillarnos de las implicaciones de la investigación en agujeros de gusano, el actualizar su potencial está estrictamente reservado (al menos de momento) para hipotéticas civilizaciones extraterrestres avanzadas.

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El univeros misterioso de las partículas

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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¿Qué no será capaz de inventar el hombre para descubrir los misterios de la naturaleza?

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Ha pasado mucho tiempo desde que Rutherford identificara la primera partícula nuclear (la partícula alfa). El camino ha sido largo y muy duro, con muchos intentos fallidos antes de ir consiguiendo los triunfos (los únicos que suenan), y muchos han sido los nombres que contribuyeron para conseguir llegar al conocimiento del átomo y del núcleo que actualmente tenemos; los electrones circulando alrededor del núcleo, en sus diferentes niveles, con un núcleo compuesto de protones y neutrones que, a su vez, son constituidos por los quarks allí confinados por los gluones, las partículas mediadoras de la fuerza nuclear fuerte. Pero, ¿qué habrá más allá de los quarks?, ¿las supercuerdas vibrantes? Algún día se sabrá.

Partículas elementales


El universo de las partículas es fascinante. Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundarias. En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior, han registrado la radiación primaria.

El físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que recogió una gran cantidad de información acerca de esta radiación (y que le dio el nombre de rayos cósmicos), decidió que debería haber una clase de radiación electromagnética. Su poder de penetración era tal que, parte del mismo, atravesaba muchos centímetros de plomo. Para Millikan, esto sugería que la radiación se parecía a la de los penetrantes rayos gamma, pero con una longitud de onda más corta.

http://www.iar.unlp.edu.ar/divulgacion/images/difu19-image001.jpg

Otros, sobre todo el físico norteamericano Holly Compton, no estaban de acuerdo en que los rayos cósmicos fuesen partículas. Había un medio para investigar este asunto; si se trataba de partículas cargadas, deberían ser rechazadas por el campo magnético de la Tierra al aproximarse a nuestro planeta desde el espacio exterior. Compton estudió las mediciones de la radiación cósmica en varias latitudes y descubrió que en realidad se curvaban con el campo magnético: era más débil cera del ecuador magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas de fuerza magnética se hundían más en la Tierra.

Las partículas cósmicas primarias, cuando entran en nuestra atmósfera, llevan consigo unas energías fantásticas, muy elevadas. En general, cuanto más pesado es el núcleo, más raro resulta entre las partículas cósmicas. Núcleos tan complejos como los que forman los átomos de hierro se detectaron con rapidez; en 1.968, otros núcleos como el del uranio. Los núcleos de uranio constituyen sólo una partícula entre 10 millones. También se incluirán aquí electrones de muy elevada energía.

http://www.iar.unlp.edu.ar/divulgacion/images/difu19-image002.jpg

Ahora bien, la siguiente partícula inédita (después del neutrón) se descubrió en los rayos cósmicos. A decir verdad, cierto físico teórico había predicho ya este descubrimiento. Paul Adrien Dirac había aducido, fundándose en un análisis matemático de las propiedades inherentes a las partículas subatómicas, que cada partícula debería tener su antipartícula (los científicos desean no sólo que la naturaleza sea simple, sino también simétrica). Así pues, debería haber un antielectrón, salvo por su carga que sería positiva y no negativa, idéntico al electrón; y un antiprotón, con carga negativa en vez de positiva.

En 1.930, cuando Dirac expuso su teoría, no llamó demasiado la atención en el mundo de la ciencia. Pero, fiel a la cita, dos años después apareció el antielectrón. Por entonces, el físico americano Carl David Anderson trabajaba con Millikan en un intento por averiguar si los rayos cósmicos eran radiación electromagnética o partículas. Por aquellas fechas, casi todo el mundo estaba dispuesto a aceptar las pruebas presentadas por Compton, según las cuales, se trataría de partículas cargadas; pero Millikan no acababa de darse por satisfecho con tal solución.

Anderson se propuso averiguar si los rayos cósmicos que penetraban en una cámara de ionización se curvaban bajo la acción de un potente campo magnético. Al objeto de frenar dichos rayos lo suficiente como para detectar la curvatura, si la había, puso en la cámara una barrera de plomo de 6’35 mm de espesor. Descubrió que, cuando cruzaba el plomo, la radiación cósmica trazaba una estela curva a través de la cámara; y descubrió algo más. A su paso por el plomo, los rayos cósmicos energéticos arrancaban partículas de los átomos de plomo. Una de esas partículas dejó una estela similar a la del electrón. ¡Allí estaba, pues, el antielectrón de Dirac! Anderson le dio el nombre de positrón. Tenemos aquí un ejemplo de radiación secundaria producida por rayos cósmicos. Pero aún había más, pues en 1.963 se descubrió que los positrones figuraban también entre las radiaciones primarias.

Abandonado a sus propios medios, el positrón es tan estable como el electrón (¿y por qué no habría de serlo si el idéntico al electrón, excepto en su carga eléctrica?). Además, su existencia puede ser indefinida. Ahora bien, en realidad no queda abandonado nunca a sus propios medios, ya que se mueve en un universo repleto de electrones. Apenas inicia su veloz carrera (cuya duración ronda la millonésima de segundo), se encuentra ya con uno.

Así, durante un momento relampagueante quedaron asociados el electrón y el positrón; ambas partículas girarán en torno a un centro de fuerza común. En 1.945, el físico americano Arthur Edwed Ruark sugirió que se diera el nombre de positronio a este sistema de dos partículas, y en 1.951, el físico americano de origen austriaco Martin Deutsch consiguió detectarlo guiándose por los rayos gamma característicos del conjunto.

Pero no nos confundamos, aunque se forme un sistema positronio, su existencia durará, como máximo, una diezmillonésima de segundo. El encuentro del electrón-positrón provoca un aniquilamiento mutuo; sólo queda energía en forma de radiación gamma. Ocurre pues, tal como había sugerido Einstein: la materia puede convertirse en energía y viceversa. Por cierto, que Anderson consiguió detectar muy pronto el fenómeno inverso: desaparición súbita de rayos gamma para dar origen a una pareja electrón-positrón. Este fenómeno se llama producción en pareja. Anderson compartió con Hess el premio Nobel de Física de 1.936.

Poco después, los Joliot-Curie detectaron el positrón por otros medios, y al hacerlo así realizaron, de paso, un importante descubrimiento. Al bombardear los átomos de aluminio con partículas alfa, descubrieron que con tal sistema no sólo se obtenían protones, sino también positrones. Cuando suspendieron el bombardeo, el aluminio siguió emitiendo positrones, emisión que sólo con el tiempo se debilitó. Aparentemente habían creado, sin proponérselo, una nueva sustancia radiactiva. He aquí la interpretación de lo ocurrido según los Joliot-Curie: cuando un núcleo de aluminio absorbe una partícula alfa, la adición de los dos protones transforma el aluminio (número atómico 13) en fósforo (número atómico 15). Puesto que las partículas alfa contienen cuatro nucleones en total, el número masivo se eleva 4 unidades, es decir, del aluminio 27 al fósforo 31. Ahora bien, si al reaccionar se expulsa un protón de ese núcleo, la reducción en una unidad de sus números atómicos y masivos hará surgir otro elemento, o sea, el silicio 30.

Puesto que la partícula alfa es el núcleo del helio, y un protón es el núcleo del hidrógeno, podemos escribir la siguiente ecuación de esta reacción nuclear:

aluminio 27 + helio 4 = silicio 30 + hidrógeno 1

Nótese que los números másicos se equilibran:

27 + 4 = 30 + 1

Adentrarse en el universo de las partículas que componen los elementos de la tabla periódica, y en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico.

Tan pronto como los Joliot-Curie crearon el primer isótopo radiactivo artificial, los físicos se lanzaron en tropel a producir tribus enteras de ellas. En realidad, las variedades radiactivas de cada elemento en la tabla periódica son producto de laboratorio. En la moderna tabla periódica, cada elemento es una familia con miembros estables e inestables, algunos procedentes de la naturaleza, otros sólo del laboratorio. Por ejemplo, el hidrógeno presenta tres variedades: en primer lugar, el corriente, que tienen un solo protón. En 1.932, el químico Harold Urey logró aislar el segundo. Lo consiguió sometiendo a lenta evaporación una gran cantidad de agua, de acuerdo con la teoría de que los residuos representarían una concentración de la forma más pesada del hidrógeno que se conocía, y, en efecto, cuando se examinaron al espectroscopio las últimas gotas de agua no evaporadas, se descubrió en el espectro una leve línea cuya posición matemática revelaba la presencia de hidrógeno pesado.

El núcleo de hidrógeno pesado está constituido por un protón y un neutrón. Como tiene un número másico de 2, el isótopo es hidrógeno. Urey llamó a este átomo deuterio (de la voz griega deutoros, “segundo”), y el núcleo deuterón. Una molécula de agua que contenga deuterio se denomina agua pesada, que tiene puntos de ebullición y congelación superiores al agua ordinaria, ya que la masa del deuterio es dos veces mayor que la del hidrógeno corriente. Mientras que ésta hierve a 100º C y se congela a 0º C, el agua pesada hierve a 101’42º C y se congela a 3’79º C. El punto de ebullición del deuterio es de -23’7º K, frente a los 20’4º K del hidrógeno corriente. El deuterio se presenta en la naturaleza en la proporción de una parte por cada 6.000 partes de hidrógeno corriente. En 1.934 se otorgó a Urey el premio Nobel de Química por su descubrimiento del deuterio.

El deuterio resultó ser una partícula muy valiosa para bombardear los núcleos. En 1.934, el físico australiano Marcus Lawrence Edwin Oliphant y el austriaco P. Harteck atacaron el deuterio con deuterones y produjeron una tercera forma de hidrógeno, constituido por un protón y dos neutrones. La reacción se planteó así:

hidrógeno 2 + hidrógeno 2 = hidrógeno 3 + hidrógeno 1

Este nuevo hidrógeno superpesado se denominó tritio (del griego tritos, “tercero”); su ebullición a 25º K y su fusión a 20’5º K.

Nunca han importado muchos los peligros que tengamos que correr para buscar las respuestas de lo profundamente escondido en la Naturaleza

Como es mi costumbre, me desvío del tema y sin poderlo evitar, mis ideas (que parecen tener vida propia), cogen los caminos más diversos. Basta con que se cruce en el camino del trabajo que realizo un fugaz recuerdo; lo sigo y me lleva a destinos distintos de los que me propuse al comenzar. Así, en este caso, me pasé a la química, que también me gusta mucho y está directamente relacionada con la física; de hecho son hermanas: la madre, las matemáticas, la única que finalmente lo podrá explicar todo.

emilio silvera