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Intrincada búsqueda: ¡La Gravedad cuántica!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (2)

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Todos sabemos de la resistencia que pone la Gravedad a integrarse en el Modelo Estándar de la física de partículas y de las interacciones fundamentales. Parece ser que, en la Teoría de cuerdas subyace la teoría de la Gravedad-Cuántica, allí conviven en armonía las dos teorías, la de Einstein y la de Planck.
Pero la cosa no se queda aquí, si no que la Teoría de Cuerdas es capaz de describir todas las interacciones contempladas en el modelo estándar, pues las vibraciones de las cuerdas son capaces de dar lugar a todos los bosones que propagan estas interacciones si las condiciones son idóneas.
Cuando hablamos de Gravedad cuántica, estamos tratando de abarcar mucho más, de lo que en realidad podemos. Esas sencillas palabras ¡Gravedad cuántica!, 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.

 

Nunca han importado muchos los peligros que tengamos que correr para buscar las respuestas de lo profundamente escondido en la Naturaleza, ni tampoco ha importado hasta donde ha tenido que viajar la imaginación para configurar modelos y teorías que, más tarde, queremos verificar.

 

 

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“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!

 

 

¿Qué es la teoría de cuerdas?

 

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”.

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“El concepto de una “teoría del todo” está arraigado en el principio de causalidad y su descubrimiento es la empresa de acercarnos a ver a través de los ojos del demonio de Laplace.  Aunque dicha posibilidad puede considerarse como determinista, en una “simple fórmula” puede todavía sobrevivir la física fundamentalmente probabilista, como proponen algunas posturas actuales de la mecánica cuántica. Esto se debe a que aun si los mecanismos que gobiernan las partículas son intrínsecamente azarosos, podemos conocer las reglas que gobiernan dicho azar y calcular las probabilidades de ocurrencia para cada evento posible. Sin embargo, otras interpretaciones de la ecuación de Schrödinger conceden poca importancia al azar: este solo se tendría importancia dentro del átomo y se diluiría en el mundo macroscópico. Otras no obstante la niegan completamente y la consideran una interpretación equivocada de las leyes cuánticas. En consecuencia, la mayor dificultad de descubrir una teoría unificada ha sido armonizar correctamente leyes que gobiernan solo un reducido ámbito de la naturaleza y transformarlas en una única teoría que la explique en su totalidad, tanto en su mundo micro como macroscópico y explique la existencia de todas las interacciones fundamentales: las fuerzas gravitatoriaelectromagnéticanuclear fuerte y nuclear débil.”

 

 

 

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 cómo 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 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 electrodébilse 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!

Resultado de imagen de supercuerdas

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.

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Desde Kaluza-Klein, la primera teoría de más dimensiones, estamos tratando de buscar como representar un espacio con dimensiones extra, y, a pesar de los muchos intentos, lo cierto es que, nuestro mundo sólo tiene tres de espacio y una de tiempo… ¿Dónde estarán esas otras hasta llegar a 11?

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

 

  1. 1
    Pedro
    el 18 de enero del 2018 a las 18:51

    El mecanismo de higg, proporciona masa a distintas partículas, quark, bosones  es lo que nos dicen, ok Resulta que a unos bosones les afecta de una manera (w,+w-) y a otros no le afecta.(fotón).  Podría indicarnos mas detalladamente como adquieren masa por ejemplo estos bosones w+,-. Si es que hay alguna manera de explicarlo de forma breve.

    No me sirve la idea de una bola de nieve, o ir surcando por un océano, unas partículas con mayor o menor resistencia al agua,etc.

    En el caso de los neutrinos, no se ven afectados por el campo de higg, ¿como adquieren masa?, ya que oscilan de un tipo a otro, indicativo de que tienes masa, eso es lo que dicen. Adquieren masa por un tipo de mecanismo llamado balancín, ¿Podria explicarnos este mecanismo de manera breve? Sin formalismo matemático,  si hay manera posible. ,  supongo que la misma pregunta podría formularla de la siguiente manera:¿Como se expliqua la oscilación de los neutrinos de un tipo a otro?.

    Que conste, que he visto vídeos en internet, al respecto, eso no significa que se comprendamos lo que vemos por internet, tampoco me voy a poner a hacer cursillos de ningún tipo. Si resulta muy trabajoso, lo olvidamos y no pasa nada.y gracias.ok

    Una pequeña observación,  a veces la mejor manera de divulgar ciencia, es centrarse en detalles. (Por ejemplo, carece casi de todo sentido decir por ejemplo , los quarks  adquieren masa a través de mecanismo de higgs, pues muy bien y que, y eso en que consiste, de esto es de lo que se trata cuando verdaderamente queremos ampliar horizontes.

    Y para terminar, me viene a la memoria,  julio cortazar “Como duele saber que en vano vela aquel  que vele detrás de una falaz sabiduría.”,  

    Que conste su labor es encomiable y me agrada un monton sin niguna duda. Gracias

    Responder
    • 1.1
      Emilio Silvera
      el 19 de enero del 2018 a las 2:02

      Amigo Pedro:

      Las mismas preguntas que aquí planteas, me las hice yo también, y, no pocos físicos que quisieran saber como se producen todos esos fenómenos a los que, al no saber las respuestas, lo explican mediante conclusiones que, en realidad, sólo son conjeturas pero, hasta el momento, es lo mejor que tenemos. Son muchos los misterios que están por desvelar y, de vez en cuando, se descorre el velo que ocultaba a uno de ellos. Sin embargo, las cosas van despacio y siguen siendo muchas más las preguntas que las respuestas.

      Incluso te digo más, muchas de las cosas que se dan como ciertas no lo son… ¡La materia oscura” por ejemplo, se habla de ella como si estuviera por todas partes pero claro, nadie sabe lo que es, de qué partículas podría estar formada, es invisible y no emite radiación pero sí genera Gravedad… ¡Todo muy extraño!

      Un amigo de éste lugar nos explica que las partículas adquieren su masa por el efecto frenado, es decir, van corriendo por el campo de Higgs que las frena al mismo tiempo que las dota de masa. Otra hipótesis más. Yo personalmente ni estoy convencido de que realmente exista ese campo de Higgs y su dichoso bosón, y, de la misma manera, tengo dudas sobre la detección de las ondas gravitacionales.

      Desde siempre, cuando no hemos sabido explicar una cosa, nos hemos inventado un modelo que trataba de explicar lo que no podíamos por falta de conocimientos. Así ha ido caminando la ciencia, y, a medida que se descubrían las verdades, las teorías se iban refinando y ajustando a la realidad descubierta.

      De tus dudas, seguramente, será el LHC o el próximo gran colisionador de partículas el que nos de algunas respuestas.

      Un cordial saludo.

      Responder

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