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Algunos desarrollos de la Física Teórica…Son notables

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (10)

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Hasta hace muy pocos años la Gravitación y la Mecánica Cuántica eran dos campos de la Física Teórica que utilizaban metodologías muy distintas y que estaban prácticamente desconectados entre sí. Por una parte, la interacción gravitatoria está descrita por la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que es una teoría clásica (es decir, no cuántica) en la que la Gravedad se representa como una propiedad geométrica del espacio y del tiempo. Por otro lado, gobierna el mundo de las partículas atómicas y subatómicas. Su generalización relativista (la Teoría Cuántica de Campos) incorpora los principios de la Teoría Especial Relativista y, junto con el principio gauge, ha permitido construir con extraordinario éxito el llamado Modelo Estándar de la Física de las Partículas Elementales.

Resultado de imagen de El Modelo Estandar de la f´çisica de partículas

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 cuatro fuarzas fundamentales. La Gravedad se niega a juntarse con las otras fuerzas.

La interacción electromagnética, por ejemplo, es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

Imagen relacionada

            El electromagnetismo está presente por todo el Universo

La interacción fuerte es unas 102 veces mayor que la interacción electromagnética y, como ya se dijo antes, aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por el intercambio de mesones virtuales llamados Gluones. Está descrita por una teoría gauge llamada Cromodinámica cuántica.

Las teorías gauge explican satisfactoriamente la dinámica de las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles en un gran rango de distancias. Sin embargo, a pesar que la Teoría General de la Relatividad puede formularse como una teoría gauge, todos los intentos de introducir en ella de manera completamente satisfactoria los principios de la Mecánica Cuántica, han fracasado. No obstante, los desarrollos realizados en el marco de la Teoría de Cuerdas en los últimos años han dado lugar a una convergencia, al menos metodológica, entre estos dos campos de la Física Fundamental.

https://ponungeologentuvida.files.wordpress.com/2012/04/teoria-del-big-bang.jpg

                        Lo cierto es que buscamos incansables para saber de qué está hecho el “mundo”

La piedra angular de esta inesperada conexión es la llamada correspondencia gravedad/teoría gauge. En su forma más genérica dicha correspondencia afirma que la dinámica de ciertas teorías cuánticas de campos sin gravedad puede ser descrita por medio de una teoría gravitatoria en un espacio-tiempo que contiene al menos una dimensión adicional.

Para poder comprender con claridad los orígenes y las consecuencias de tan sorprendente relación entre teorías tan diferentes, es interesante recordar como fue descubierta en el contexto de la Teoría de Cuerdas. la Teoría de cuerdas tiene su origen en los años 60-70 como un intento de describir los hadrones(partículas elementales que experimentan interacción fuerte) como estados de una cuerda en movimiento.

                ¡Teoría de cuerdas! (¿)

La longitud de la cuerda se puede identificar con el tamaño del hadrón y sería del orden del fermi (10-15metros). Sin embargo, al analizar en detalle el espectro de modos de vibración de las cuerdas cerradas se descubrió que estas contienen una partícula de espín 2 y masa nula…(¿el gravitón?) que no se corresponde con ningún hadrón y que, en cambio, se identifica de manera natural con el gravitón (el cuanto fundamental de la interacción gravitatoria). De esta forma la Teoría de Cuerdas pasó de ser considerada una teoría de las interacciones fuertes a ser una posible teoría de unificación de las cuatro interacciones fundamentales de la Naturaleza a una escala mucho más pequeña: La longitud de Planck(10-35 metros).

La longitud de Planck se define como:

<br />
\ell_P =<br />
\sqrt\frac{\hbar G}{c^3} \approx<br />
1.616 199 (97) \times 10^{-35} \mbox{ metros}<br />

donde c es la velocidad de la luz en el vacío, G es la constante de gravitación universal, y \hbar es la Constante de Planck racionalizada o reducida.

Una consecuencia sorprendente del estudio cuántico de la cuerda es que ésta debe propagarse en un espacio-tiempo de diez dimensiones. La métrica de dicho espacio-tiempo está también fuertemente constreñida. De hecho, la consistencia mecano-cuántica del movimiento de la cuerda en un espacio curvo impone que la métrica de este debe satisfacer unas ecuaciones que,  en el límite en el que la longitud de la cuerda se considera muy pequeña, se reducen a las ecuaciones de Einstein de la relatividad general. Así pues, las ecuaciones fundamentales de la gravedad clásica en diez dimensiones se puede obtener de la dinámica cuántica de la cuerda.

En los años noventa se descubrió que el espectro de la Teoría de Cuerdas contiene, además de los modos de vibración asociados a las diferentes partículas, otros estados que están extendidos a lo largo de varias dimensiones espacio-temporales. Dichos espacios se denominan Branas y son paredes de dominio en el espacio-tiempo diez-dimensional que corresponden a estados no-perturbativos de la Teoría de Cuerdqas similares a los solitones de las teorías cuánticas de campo. En particular, las denominadas Dp-Branas son objetos que pueden estar extendidos a lo largo de p dimensiones espaciales y una temporal para 0 ≤ p ≤ 9. Uno puede imaginárselas como hiperplanos (p+1)-dimensionales. En particular la D3-Branas están extendidas a lo largo de cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal).

 

Claro, todo es pura conjetura (hasta que no sea verificado de forma experimental). Increíblemente el mundo de las branas es tan colosalmente extraño como lo es el infinitecimal mundo de las partículas cuánticas, con la salvedad de que, al tratar de objetos aún más pequeños, es decir aquellos que posiblemente existan más allá de los Quarks, la fascinación sube de tono al toparnos con un universo de cosas “imposibles”, bueno, mejor alejado de lo que nos dice el sentido común que (está visto),  no es el mejor de los sentidos.

Las D-branas aparecen en muchas discusiones modernas relacionadas con las cuerdas (por ejemplo, en la entropía de los agujeros negros). Suelen tratarse como si fueran objetos clásicos que yacen dentro del espacio-tiempo completo 1 + 9 (o 1 + 10) dimensiones. La “D” viene de “Dirichlet”, por analogía con el tipo de problema de valor de frontera conocido como un problema de Dirichlet, en el que hay una frontera de género tiempo sobre la que se especifican datos (según Peter G. Lejeune Dirichlet, un eminente matemático francés que vivió entre 1.805 y 1.859).

Imagen
Imagen

                     No resulta fácil para nosotros imaginar el Mundo Brana

Las D-Branas son objetos dinámicos que pueden moverse, deformarse y cambiar de estado interno. Una de sus características fundamentales es que este último está caracterizado por un campo gauge que viv3e en su interior. Así podremos decir que las D-Branas albergan teorías de gauge en su seno. Esta es una realización novedosa de la simwetría gauge que está en la base de la correspondencia gravedad/teoría gauge. Además, dado que la Teoría de Cuerdas es una teoría gravitatoria, cualquier objeto masivo (y en particular las D-Branas) tiene asociado una métrica que describe la distorsión gravitatoria del espacio-tiempo en torno a él. En el caso de las D-Branas estas métricas son fáciles de encontrar y son similares a la clásica solución de Schwazschild de la relatividad general. En 1997 el joven físico argentino Juan Maldacena sugirió  utilizar esta solución de gravedad para describir la teoría gauge que vive en las D-Branas.

¿Podría ser nuestro universo una membrana flotando en un espacio de más dimensiones, que se rompe muchas veces en un universo circundante? Según una rama de la teoría de las cuerdas llamada braneword, hay una gran cantidad de dimensiones extra de espacio, y aunque la gravedad puede llegar a salir, nosotros estamos confinados a nuestro propio universo “brana”, con sólo tres dimensiones. Neil Turok, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, y Paul Steinhardt, de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, EE.UU., han trabajado en cómo el Big Bang se podría haber provocado cuando nuestro universo se enfrentó violentamente con otro. Se repite el enfrentamiento, produciendo un nuevo Big Bang de vez en cuando, por lo que si el modelo del universo cíclico es correcto, el cosmos puede ser inmortal. ¡Por imaginar que no quede!

Sólo vamos a ser conscientes de dimensiones extra allí donde inciden directamente sobre las D-brana en la que “vivimos”. Más que una imagen de tipo “espacio cociente” que evoca la analogía de Kaluza-Kleinoriginal: El gráfico representa un modelo de manguera de un espacio-tiempo de dimensiones más altas de tipo Kaluza-Klein, donde la longitud, o mejor, la dimensión a lo largo de la longitud de la manguera representa el 4-espacio-tiempo normal, y la dimensión alrededor de la manguera representa la dimensión extra “pequeñas” (quizá escala de Planck). Imaginemos un “ser” que habite en este mundo, que rebasa estas dimensiones extra “pequeñas”, y por ello no es realmente consciente de ellas.

Resultado de imagen de En la propuesta de Maldacena de las dos descripciones (gauge y gravitatoria) son duales y complementarias entre sí.

En la propuesta de Maldacena de las dos descripciones (gauge y gravitatoria) son duales y complementarias entre sí. En principio nos puede parecer confusa la afirmación de que la gravedad juega un papel relevante en la física de la teoría gauge. En los cursos de física nosm enseñan que la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas, y que, por lo tanto, su efecto es despreciable salvo a distancias realmente pequeñas o masas realmente grandes. Para resolver esta paradoja hay que tener en cuenta que la gravedad de la que estamos hablando no es la de nuestro universo aproximadamente plano y (posiblemente) con una pequeña constante cosmológica positiva, sino que se trata de una teorìa auxiliar en más de cuatro dimensiones y con constante cosmológica negativa.

Para seguir explicando el tema, mucho tendríamos que escribir. Sin embargo, quede aquí esta entrada que, al menos, puede despertar alguna curiosidad en los lectores que, aconsejados por lo leido, busquen más sobre el tema que, sin duda alguna, llega a ser fascinante.

Fuente: Muchos de los párrafos aquí insertos, han sido transcritos de un trabajo de Alfon V Ramallo del Departamento de Física de Partículas de la Universidad de Santiago de Compostela.

PD.

Aclaración: Cuando mencionamos una teoría gauge, lo estamos haciendo de cualquiera de las teorías cuánticas de campos creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y los potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang-Mills. esta diferencia explñica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil, que es la teoría unificada de las interacciones débiles y las electromagnéticas. En el caso de la Gravedad Cuántica, el Grupo Gauge es mucho más complicado que los grupos gauge tanto de las interacciones fuertes como de las débiles.

¡La Física! ¡Qué complejidad!

emilio silvera

 

  1. 1
    emiliosilvera
    el 15 de mayo del 2018 a las 8:42

    22/10/2016
    El Prof. Michio Kaku sostiene que Estamos en la piel de una burbuja. (Captura de video)

    Andre Lapiere: ¿Hay sólo tres dimensiones en otros universos o podría haber más?
    Michio Kaku: Andre, creemos que, nuestro multiverso de universos es de 11 dimensiones, aunque todavía no podemos comprobarlo.
    Así que piensa en esta arena de 11 dimensiones y en este campo hay burbujas, burbujas que flotan y la piel de la burbuja representa un universo entero, por lo que somos como moscas atrapadas en el papel de la mosca.
    Estamos en la piel de una burbuja. Es una burbuja tridimensional. Las tres dimensiones de la burbuja están en expansión y se llama la teoría del Big Bang y a veces estas burbujas pueden chocar entre sí, a veces pueden partirse y que creemos que es el Big Bang. Así que incluso tenemos una teoría del Big Bang. Ahora la pregunta es ¿qué pasa con las dimensiones de cada burbuja?
    [insert page=’sobrevivientes-de-terremoto-reportan-sentimientos-agradables-cercanos-a-la-muerte’ display=’template-relacionadas.php’]
    Bueno, en teoría, lo que hago para ganarme la vida es la cadena; empleo la teoría de cuerdas en la que podemos tener burbujas de diferentes dimensiones. La dimensión máxima es de 11. Usted no puede ir más allá de los 11 porque los siguientes universos se vuelven inestables. Si anoto la teoría de un universo de 13 o 15, serian inestables y colapsan hacia el universo de 11 dimensiones.
    Pero dentro de 11 dimensiones puedes tener burbujas que son de 3 dimensiones, de 4 dimensiones, de 5 dimensiones. Estas son las membranas, por lo que, para abreviar las llamamos branas.
    Así que pueden existir estas branas en diferentes dimensiones y digamos P representa la dimensión de cada burbuja, así que les llame p-branas. Así que un p-branas es un universo en diferentes dimensiones flotando en un ámbito mucho más amplio y este escenario más grande es el hiperespacio del que hablé al principio.
    [insert page=’las-celulas-del-cerebro-pequenos-universos’ display=’template-relacionadas.php’]
    Asimismo, recuerda que cada burbuja vibra y cada burbuja vibrando crea música. La música de estas membranas son las partículas subatómicas. Cada partícula subatómica representa una nota en una cuerda vibrante o membranas vibrantes.
    Así que, lo creas o no, ahora tenemos un candidato para la “mente de Dios” de la que Albert Einstein escribió acerca de los últimos 30 años de su vida. La “mente de Dios” en este cuadro sería la música cósmica resonando en todo el hiperespacio de 11 dimensiones.
    Es lo que nos dice el amigo Michio Kaku

    Responder
  2. 2
    emiliosilvera
    el 15 de mayo del 2018 a las 9:11

    Está claro que sumergirse en las complejidades que están presentes en cada uno de los modelos de la Teoría de cuerdas, te pueden construir un gran embrollo en la Mente si no estás al día y, sobre todo, dominas las enrevesadas matemáticas implicadas en esta teoría que, para algunos físicos, viene a ser el “diablo”, toda vez que, en realidad, no las entienden, y, si eso es así (que lo es), ¿qué no será para unos simples aficionados que, por muy buenos que puedan ser… ¡Nunca llegarían a dominar los entresijos de tan cimplicado asunto!
    Super-Gravedad, Super-Simetría, Super-cuerdas, la Cuerda Heterótica, y, nos llevan a 10, 11 y 26 dimensiones… ¡Qué locura! Por más que podamos mirar, en nuestro mundo, sólo podemos ver tres dimensiones y, si queremos añadir la cuarta, será la temporal. Sin embargo, esas otras no son visibles por ninguna parte y, sin embargo, matemáticamente suelen dar un gran juego, incluso permiten que en un espacio de más dimensiones, sí se puedan juntar la Cuántica y la Gravedad que, en la teoría de Cuerdas encuentran un lugar natural, es decir, en esta teoría subyace la teoría cuántica de la gravedad.
    Ya sabemos que la teoría no ha podido ser verificada pero, las “vibraciones” que nos envía, son positivas, y, una cuestión que nos debe hacer pensar en la certeza de esta teoría está en el hecho de que, mientras los físicos trabajan con las ecuaciones de campo de la misma, como por arte de magia, sin que nadie las llame, allí aparecen las ecuaciones de campo de la Relatividad general de Einstien…. ¡Por algo será!

    Responder
  3. 3
    kike
    el 15 de mayo del 2018 a las 18:02

    Ya los Vedas decían que el universo es “simplemente” una vibración; que el origen de todo es la vibración;   lo que origina todo lo demás; a simple vista esa teoría creo que entronca perfectamente con la idea del obligado movimiento de las partículas, ya que sin movimiento no serían las mismas.

     Por ejemplo, en mi ignorancia, pienso en el espín de las partículas, que solo puede ser entendido correctamente con las matemáticas, pero que si en vez de giro se pensase en vibración, quizás algo tuviera más sentido.

     La verdad, es que, viendo por ejemplo lo que puede hacer el agua cuando se somete a diferentes vibraciones da que pensar; y además se encuentra muy relacionado con la música de la que comentas, pues al fin y al cabo, la música es simplemente vibración ordenada…; y para más “inri”, lo más parecido a la música son las matemáticas, que a su vez es la  única forma de entender algo del cosmos….

     Así que, si con estas premisas conjugamos correctamente el trinomio de vibración/música/matemáticas, aplicado a la materia y por supuesto al espacio/tiempo.  quizás pudiéramos solventar  más de un problema de los que consideramos irresolubles..  

     Quizás con el tiempo, una de las especialidades de la astrofísica sea la “física armónica”….  :.

    Responder
    • 3.1
      Emilio Silvera
      el 16 de mayo del 2018 a las 4:29

      Lo cierto es que, los hindúes, fueron los primeros que hablaron de esas profundas cuestiones, tales como la que mencionas, además de vacío y átomo, y, no digamos en el campo de los números. El teorema de Pitágoras ya aparecía en sus cálculos matemáticos. Después llegaron los griegos y se apropiaron de todos aquellos pensamientos.

      Responder
  4. 4
    kike
    el 15 de mayo del 2018 a las 18:11

    Ya que estamos, quisiera hacer una pregunta:

     Si ahora Maduro tuviera que pagar a  Iglesias los doscientos y pico mil euros que le pagó(lo que parece ser ya demostrado), ¿Cuántos bolívares serían?

    Responder
    • 4.1
      Emilio Silvera
      el 16 de mayo del 2018 a las 4:23

      ¿Qué preguntas se te ocurren? Seguramente, tendría que alquiler los volquetes de Gutiérrez para poder transportarlos, dado el ínfimo valor que han tomado. Bueno, si es a eso a lo que te refieres.

      Responder
  5. 5
    Pedro
    el 15 de mayo del 2018 a las 18:18

    Acerca del texto “la interacción fuerte mediada por mesones virtuales llamados gluones” , algo no cuadra.  Los mesones son inestables y los gluones estables son quienes median en la interacción fuerte. Unos tienen carga de sabor,  color etc.

    Responder
    • 5.1
      Emilio Silvera
      el 16 de mayo del 2018 a las 4:24

      “…mediada por Bosones, llamados gluones…” ¡Estaría mejor!

      Responder
  6. 6
    Pedro
    el 15 de mayo del 2018 a las 18:22

    Gluones carga de color , mesones carga de sabor.

    Responder
  7. 7
    kike
    el 15 de mayo del 2018 a las 18:46

    Pedro, eso debe ser parecido a la cocina; las recetas además de tener “sabor”, deben tener buen aspecto (color)..jeje

    Responder

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