martes, 21 de enero del 2020 Fecha
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Buscando la Gravedad-Cuántica

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

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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 universo 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.

Pero 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 cuando se estrenó 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? Y, desde luego, aunque hace algún tiempo que nos dijeron que la tal partícula de Higgs había sido encontrada, no nos han explicado muchas cosas más que faltan en esa fiesta para que la podamos celebrar.

                              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. Claro que nadie ha explicado cómo lo hace.

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.

        Cuando no sabemos de qué estamos hablando, lo representamos de cualquier manera y, no siempre acertamos

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

Un paseo por el Universo

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo    ~    Comentarios Comments (1)

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     AFP PHOTO/NASA/JPL-CALTECH. Es la Nebulosa Cygnus Loop en ultravioleta

 Cygnus Loop (W78 fuente de radio, o Sharpless 103) es un remanente grande supernova (SNR) en la constelación de Cygnus, una nebulosa de emisión que mide casi 3 ° de ancho. Algunos arcos del bucle, conocidos colectivamente como la Nebulosa del Velo o Nebulosa Cirrus, emite luz visible.

La parte visual del Cygnus Loop es conocida como la Nebulosa del Velo, también llamada la Nebulosa Cirrus o la Nebulosa filamentosa. Varios componentes tienen nombres e identificadores separados, incluyendo el “Velo occidental” o “Escoba de bruja”, “Velo del Este”, y Triángulo de Pickering.

ESO: Utilizando el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), los Astrónomos han descubierto que los planetas que orbitan la estrella Fomalhaut deben ser mucho más pequeños de lo que se pensaba en un principio. Fomalhaut es la estrella más brillante en la constelación de Piscis Austrinuus (El Pez Austral). El nombre de la estrella tiene su origen en el árabe y su significado es Boca de Ballena (o del pez). Durante la historia esta estrella ha tenido varios nombres. En la antigua Persia se hacían rituales para ella y era una de las cuatro estrellas reales “persas”, recibiendo el nombre de Hastorang. En la religión de Strehería, Fomalhaut es un ángel caído y el cuarto guardían de la puerta del norte. Está situada a 25 años-luz del Sol.

 

La ESO ha obtenido la imagen infrarroja más precisa de la Nebulosa Carina captada por el Telescopio de Largo Alcance del Observatorio Austral Europeo. La Nebulosa de la Quilla, también llamada Nebulosa de Carina, Nebulosa de Eta Carinae o NGC 3372, es una gran nebulosa de emisión (cuatro veces más grande que Orión) que rodea varios cúmulos abiertos de estrellas. Entre estas estrellas se encuentran Eta Carinae y HD 93129A,  dos de las estrellas más masivas y más luminosas en la Vía Láctea. La nebulosa se encuentra a una distancia estimada de entre 6 500 a 10 000 años-luz de la Tierra. Se encuentra localizada en la constelación de la Quilla (Carina). Esta nebulosa contiene diversas estrellas tipo O.

Carina (la quilla),  es una constelación austral austral que forma parte de la antigua constelación de Argo Navis (el navío Argo).  La Unión Astronómica Internacional  la dividió en cuatro componentes: Carina (la Quilla), Vela (la Vela), Puppis (la Popa)  y Pyxis (el compás o la Brújula).

 

 

Captada por el Hubble, el conjunto de galaxias Arp 273, se encuentra en la constelación de Andrómeda y tiene esta particular forma de rosa cósmica. En la imagen aparece un galaxia espiral notable, junto con orta más pequeña, y juntas tienen una forma de S. Las galaxias Arp 273están a 300 millones de años luz de nuestra Vía Láctea.Las galaxias Arp 273 están en intearcción. En primer lugar, se hace un zoom en el miembro más pequeño de la pareja. Se trata de una galaxia casi de canto, que muestra claros signos de intensa formación estelar en su núcleo. Esto fue provocado tal vez, por el encuentro con la galaxia compañera anterior.

Las fuerzas de marea de la galaxia compañera más pequeña y su tirón gravitacional han causado que la pareja simule un conjunto en forma de rosa, la llamada “rosa del espacio”.

 

 

 

IAC Nos muestra la Nebulosa Reloj de Arena, fue elegida por la NASA como la Imagen Astrónómica del día. Las figuras arabescas y de una belleza sin igual que se forman en el espacio con el material interestelar son fabulosas y coloridas en función del material que las conforman que, merced a la radiación que ioniza las regiones y los vientos estelares emitidos por las estrellas nuevas, conforman conjuntos que ni nuestra inmensa imaginación pueden imaginar.
HUBBLE

Aquí la joven estrella S106 IR expulsa material a gran velocidad y perturba el gas y el polvo que la rodean, rebelándose contra su ’nube madre’. La postal captada por el Hubble tiene forma de ángel con las alas extendidas. El 16 diciembre de 2011, una de las cámaras de gran campo del telescopio espacial Hubble ha captado esta imagen de una nube de hidrógeno gigante iluminada por una brillante estrella joven. La imagen revela cuán violentas pueden llegar a ser las etapas finales del proceso de formación estelar.

Pese a los colores celestiales de esta imagen, nada ocurre tranquilamente en la región de formación estelar Sh 2-106, o S106. En ella se aloja la joven estrella S106 IR, que expulsa a gran velocidad material que altera el gas y el polvo circundantes. Esta estrella tiene una masa 15 veces superior a la del sol y está en las etapas finales de su formación; pronto, cuando entre en la fase de su evolución llamada ‘de secuencia principal’ –el equivalente a la etapa adulta de su vida estelar-, se calmará y brillará durante algunos millones de años. Vivirá menos que el Sol, ya que, su voracidad en consumir el mateiral estelar será mucho mayor.

Aquí el Hubble nos muestra a la Nebulosa NGC 3693, situada en la constelación de Carina. Ella, presumida, nos muestra ese Jojero de relucientes y doradas estrellas formadas en un bello cúmulo. NGC 3603. Sher 25 es la estrella brillante en la posición de uno con respecto al centro de la agrupación, entre dos parches de nebulosa y con un débil anillo que lo rodea.
Ahí se encuentra Sher 25, que es una estrella supergigante azul en la constelación Carina, ubicada aproximadamente a 25.000 años luz del Sol en la región H II NGC 3603 de la galaxia de la Vía Láctea. Es una estrella de tipo espectral B1Iab con una magnitud aparente de 12,2. Su masa secuencia principal inicial se calcula en 60 veces la masa de nuestro Sol, pero una estrella de este tipo ya se han perdido una parte sustancial de esa masa. No está claro si Sher 25 ha sido a través de una fase de supergigante roja o simplemente ha evolucionado a partir de la secuencia principal, por lo que la masa actual es muy incierto.

ESO nos enseña la la Imagen de un  agujero negro en la galaxia espiral NGC 300, a una distancia récord de unos seis millones de años luz de nuestro sistema solar, absorve la materia de una estrella que le acompaña en un ’vals infernal. Estos terribles monstruos del Espacio, situados (por lo general), en el centro galáctico, son devoradores de materia y, ni las estrellas vecinas se pueden salvar para escapar de su terrible fuerza gravitatoria que las atrae para engullirlas y convertirlas quién sabe en qué clase de materia exótica desconocida de una densidad nunca jamás vista.
Aquí el Hubble ha captada la imagen del Cluster R136 para mostrarnos un paisaje de fantasía, repleto de luminosidad en contraste con los valles de sombras y oscuridad. Junto a una región en sombra en el centro que se asemeja a la silueta de un gran árbol navideño que está cuajada de estrellas jóvenes y radiantes, azuladas que emiten cantidad inmensa de radiación ultravioleta para ionizar el material circundante al que, dependiendo de los elementos de que están formados, le saca los distintos colores.
ESO / VISTA
Aquí podemos contemplar la primera imagen captada por el telescopio europeo VISTA de la Nebulosa de la Llama.  La nebulosa de la Llama, también conocida como NGC2024, es una región de gas y polvo oscurecido en el Complejo de la Nube Molecular de Orión, región de formación estelar que incluye la famosa nebulosa de la Cabeza del Caballo, situada a 1.500 años luz de distancia del Sistema Solar. Esta nebulosa es fácil de localizar dado que se encuentra muy cerca de la estrella brillante que está más a la izquierda en el cinturón de Orión: Alnitak. Esta estrella envía luz energética a la nebulosa de la Llama, lo que hace que se desprendan electrones del gas hidrógeno que reside allí. Gran parte del resplandor se produce cuando se recombinan los electrones y el hidrógeno  ionizado.
El Hubble nos muestra la imagen situada en los albores del Universo. La cámara infrarroja del telescopio espacial más famoso, ha captad0 esta imagen del universo cuando era muy joven, sólo tenía 600 millones de años después del comienzo del Tiempo, es decir, después del Big Bang. Sabemos (eso nos dicen todos los estudios realizados), que el Universo tiene ahora una edad de 13.750 millones de años y, desde aquel tiempo pasado en el que la imagen era una realidad que ahora no existe, el Hubble, nos la enseña haciendo posible que nosotros, situados a mucha distancia en el tiempo futuro de las galaxias que ahí se muestran, podamos saber cómo era entonces el Cosmos.
Desde entonces, muchas estrellas han nacido para morir y dejar sembrado el espacio interestelar de materiales complejos y de mundos que, como la Tierra, situados en la zona habitable de sus estrellas, probablemente tengan sistemas ecológicos en los que, la Vida, esté presente de mil maneras.
Aquí dejamos este paseo por el Universo que, siendo para nosotros “infinito”, tenemos que mostrarlo por partes y también, por partes contar, lo mucho que en él está presente y los sucesos que tuvieron lugar en tan vasto espacio, que tienen presencia en este mismo momento presente y, ¿qué duda nos puede caber?, tendrán lugar en el tiempo por venir.
¡Qué bello es el Universo! ¡Cuántas maravillas contiene! ¿Lo conoceremos alguna vez… del todo? ¿Tendrá algún compañero?
emilio silvera