Cuando por primera vez se puso este trabajo, dio lugar a comentarios que nos llevan hasta la realidad de hasta donde, resulta para nosotros incomprensible ese micro mundo de la cuántica, ese “universo” infinitesimal donde ocurren cosas que, no llegamos a comprender.

Sí, existe otro mundo que no vemos pero, ¡está en éste!

La mecánica cuántica domina en el micromundo de los átomos y de las partículas “elementales”. Nos enseña que en la naturaleza cualquier masa, por sólida o puntual que pueda parecer, tiene un aspecto ondulatorio. Esta onda no es como una onda de agua.  Es una onda de información. Nos indica la probabilidad de detectar una partícula. La longitud de onda de una partícula, la longitud cuántica, se hace menor cuanto mayor es la masa de esa partícula.

Por el contrario, la relatividad general era siempre necesaria cuando se trataba con situaciones donde algo viaja a la velocidad de la luz, o está muy cerca o donde la gravedad es muy intensa. Se utiliza para describir la expansión del universo o el comportamiento en situaciones extremas, como la formación de agujeros negros. Sin embargo, la gravedad es muy débil comparada con las fuerzas que unen átomos y moléculas y demasiado débil para tener cualquier efecto sobre la estructura del átomo o de partículas subatómicas, se trata con masas tan insignificantes que la incidencia gravitatoria es despreciable. Todo lo contrario que ocurre en presencia de masas considerables como planetas, estrellas y galaxias, donde la presencia de la gravitación curva el espacio y distorsiona el tiempo.

La Gravedad hace que la Tierra se vea como un mapa. Es una vista altamente exagerada, pero ilustra a las claras cómo la atracción gravitatoria que se manifiesta desde la masa de roca bajo nuestros pies no es la misma en todo lugar. La gravedad es más fuerte en áreas amarillas y más débil en las azules. (Imagen tomada por el satélite Goce)

Como resultado de estas propiedades antagónicas, la teoría cuántica y la teoría relativista gobiernan reinos diferentes, muy dispares, en el universo de lo muy pequeño o en el universo de lo muy grande. Nadie ha encontrado la manera de unir, sin fisuras, estas dos teorías en una sola y nueva de Gravedad-Cuántica.

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuales son.

Supongamos que tomamos toda la masa del universo visible y determinamos su longitud de onda cuántica. Podemos preguntarnos en qué momento esta longitud de onda cuántica del universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10^-33  centímetros, más joven que el Tiempo de Planck, 10^-43 segundos y supere la temperatura de Planck de 10³² grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales. Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad. Para entender lo que podría haber sucedido cerca del suceso que estamos tentados a llamar el principio del universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck. Las constantes de la naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”.  La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes.

Los tiempos cambian y la manera de informar también, lejos nos queda ya aquellos toscos aparatos impresores del pasado, ahora, en espacios muy reducidos, tenemos guardada más información que antes había en una colección de libros.

Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1.965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1.975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.

Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1.981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros.  Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos. Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen. El número máximo de bits de información que puede almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de Planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado, 10^-66 cm².  Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.

La información llega a todos los rincones del Mundo

No debemos descartar la posibilidad de que seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.

Todas las estructuras del universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras; la atracción y la repulsión. Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla; así, el resultado es la estabilidad de la estrella. En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos. Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, h, c, G y m_protón.

α = 2πe² / hc ≈ 1/137

α_G = (Gm_p2)² / hc ≈ 10^-38

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y a_G, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro.

Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales. Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas no se puede llegar a saber, porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137. Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender; me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías. Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”. El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza sólo por la observación y la experimentación. Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos. Con los adelantos actuales, estudiando la luz lejana de cuásares muy antiguos, se estudia si la constante de estructura fina (α) ha variado con el paso del tiempo.

El Universo es muy grande, inmensamente grande y, probablemente, todo lo que nuestras mentes puedan imaginar podrá exisitr en alguna parte de esas regiones perdidas en las profundidades cósmicas, en los confines del Espacio- Tiempo, en lugares ignotos de extraña belleza en los que otros mundos y otras criaturas tendrán, su propio habitat que, siendo diferente al nuestro, también, sus criaturas, estarán buscando el significado de las leyes del Universo.

emilio silvera

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Investigadores de EE UU logran entrelazar grupos de cuatro fotones y mantenerlños estables, un paso necesario para la creación de ordenadores cuánticos

                                      A Erwin Schrödinger su ejemplo del gato en la caja le parecía ridículo

Erwin Schrödinger recibió un Nobel por sus aportaciones a la física, tiene un cráter a su nombre en la cara oculta de la Luna y realizó aportaciones filosóficas fundamentales para la genética. Sin embargo, su nombre es mundialmente conocido por un experimento mental que planteó en 1935 en el que un gato podía estar muerto y vivo al mismo tiempo. En aquel caso creado para ilustrar la extrañeza de la mecánica cuántica, que el físico austriaco calificaba de ridículo, se introducía un gato en una caja de acero junto a una pequeña cantidad de material radiactivo. La cantidad era tan pequeña que solo existía un 50% de posibilidades de que durante la hora siguiente uno de los átomos decayese. Si eso sucedía, se activaría un mecanismo que llenaría la caja de ácido hidrociánico, uno de los gases tóxicos utilizados en las trincheras de la Primera Guerra Mundial, y el gato moriría.

De acuerdo con los principios de la mecánica cuántica, durante el tiempo que durase el experimento, el gato estaría vivo y muerto al mismo tiempo, resultado de un fenómeno conocido como superposición. Sin embargo, esa circunstancia cambiaría cuando abriésemos la caja para acabar con la incertidumbre. En ese momento, de vuelta a la dura e incontrovertible realidad de la física clásica, el gato estaría o vivo o muerto.

 

Con el tiempo, los científicos han sido capaces de manipular los estados cuánticos de la materia y es posible que en el futuro este conocimiento sirva para construir potentes ordenadores cuánticos. Esta semana, en un artículo que se publica en la revista Science, un equipo de físicos de la Universidad de Yale (EE UU) muestra cómo ha logrado mantener un “gato de Schröedinger” cuántico vivo y muerto en dos lugares a la vez.

En realidad, estos gatos cuánticos son grupos de hasta cuatro fotones con estados entrelazados pese a estar en recipientes separados. El entrelazamiento es un fenómeno cuántico por el que las partículas subatómicas pueden alinear sus estados cuando están en contacto y mantenerlo después separadas, incluso a millones de kilómetros de distancia. El equipo de Yale, liderado por Chen Wang, fue capaz de introducir los fotones en receptáculos separados y modificar su estado, como el gato que está vivo o muerto, observando cómo cambiaban de forma coordinada.

El interés del trabajo, según explica Oriol Romero-Isart, investigador en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck (Austria), es que “permite crear dos qbits (sistemas cuánticos que servirían para gestionar la información en ordenadores cuánticos) y aplicar correcciones para que duren más”. La inestabilidad de estos qbits hace que sean poco prácticos para construir máquinas cuánticas y es un reto para producir aplicaciones prácticas con este tipo de física. Normalmente, sin la aplicación de correcciones, un qbit se destruiría en menos de un segundo. Con las correcciones, comenzaría acercándose la posibilidad de emplear el potencial de un sistema en el que las partículas no solo sirven para codificar información a partir de unos y ceros, como en la computación convencional, sino que pueden aprovechar la posibilidad de que estén en varios estados al mismo tiempo.

La capacidad del grupo de Yale para crear “gatos de Schrödinger” de un gran número de fotones es importante porque para corregir los errores que hacen que el qbit se diluya en muy poco tiempo es mejor tener un sistema con muchas piezas. “Si nos imaginamos un sistema que pueda tener varios estados, en el que las partículas son canicas rojas y azules, si solo tienes una canica, cuando cambia el color, pierdes la información. Pero si tengo 100 canicas del mismo color, si solo cambia una de información, podría reparar el error y mantener la información gracias al resto”, explica Romero-Isart.

Las posibilidades que abren estudios como el publicado en Science son enormes, pero la extrañeza cuántica tiene sus límites. Aunque dos partículas entrelazadas seguirán estándolo aunque las mandemos a planetas separados por un millón de kilómetros, este sistema no serviría para transmitir información más rápido que la luz. La física no permite esa herejía y en este caso se conserva el dogma porque no es posible manipular a nuestro antojo el estado de esas partículas entrelazadas.

Entre las aplicaciones prácticas más cercanas de las máquinas cuánticas, Romero-Isart, que ha planteado la posibilidad de realizar un experimento en el que un objeto con millones de átomos esté en dos lugares a la vez, señala la simulación cuántica. “Se trataría de hacer un prototipo, de la misma manera que se hace con modelos de menor tamaño en aviación, para recrear un sistema cuántico muy complejo, como la física de los sólidos”, señala. “Saber cómo interaccionan los electrones en un sólido puede ayudarnos a entender cómo se puede crear un material en el que haya superconductividad a temperatura ambiente”, añade. Ahora, los materiales empleados para conducir la electricidad a temperatura ambiente, como el cobre, producen una enorme resistencia que limita su eficiencia. Este tipo de progresos llegarían antes que los ordenadores cuánticos, una tecnología posible, pero que aún requerirá mucho tiempo para hacerse realidad.

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Los científicos para lograr conocer la estructura del universo a su escala más grande, deben retroceder en el tiempo, centrando sus teorías en el momento en que todo comenzó. Para ello, como  todos sabeis, se han formulado distintas teorías unificadoras de las cuatro fuerzas de la naturaleza, con las cuales se han modelado acontecimiento y condiciones en el universo primitivo casi a todo lo largo del camino hasta el principio. Pero cómo se supone que debió haber habido un «antes», aparece una barrera que impide ir más allá de una frontera que se halla fijada a los 10^-43 [s] después del Big Bang, un instante conocido como «momento de Planck», en homenaje al físico alemán Max Planck.

El momento de Planck es la unidad de momento, denotada por m P c {\displaystyle m_{P}c} en el sistema de unidades naturales conocido como las unidades de Planck.

Se define como:

donde

• es la longitud de Planck
• es la constante de Planck racionalizada
• es la velocidad de la luz en el vacío
• es la constante gravitacional

En unidades del SI. el momento de Planck equivale a unos 6,5 kg m/s. Es igual a la masa de Planck multiplicada por la velocidad de la luz, con frecuencia asociada con el momento de los fotones primordiales en ciertos modelos del Big Bang que aún perduran.

Esta barrera existe debido a que antes del momento de Planck, durante el período llamado la «era de Planck o cuántica», se supone que las cuatro fuerza fundamentales conocidas de la naturaleza eran indistinguibles o se hallaban unificadas , que era una sola fuerza. Aunque los físicos han diseñado teorías cuánticas que unen tres de las fuerzas, una por una, a través de eras que se remontan al momento de Planck, hasta ahora les ha sido prácticamente imposible armonizar las leyes de la teoría cuántica con la gravedad de la relatividad general de Einstein, en un sólo modelo teórico ampliamente convincente y con posibilidades claras de ser contrastado en experimentos de laboratorio y, mucho menos, con observaciones.

Si hablamos de singularidades en agujeros negros, debemos dejar la R.G. y acudir a la M.C. “…según las leyes de la Relatividad, el eje más horizontal siempre es espacio, mientras que el más vertical siempre es tiempo. Por tanto, al cruzar el horizonte lo que nosotros entendemos por tiempo y espacio ¡habrán intercambiado sus papeles! Puede sonar raro y, definitivamente, es algo completamente anti intuitivo, pero es la clave de que los agujeros negros sean como son y jueguen el papel tan importante que juegan en la física teórica actual. Al fin y al cabo, dentro no es lo mismo que fuera…”

Si ahora queremos cuantizar, es decir encontrar la versión cuántica, la gravedad escrita como RG lo que tenemos que hacer es encontrar la teoría cuántica para la métrica.  Sin embargo, esto no conduce a una teoría apropiada, surgen muchos problemas para dar sentido a esta teoría, aparecen infinitos y peor que eso, muchos cálculos no tienen ni tan siquiera un sentido claro.  Así que hay que buscar otra forma de intentar llegar a la teoría cuántica.

Como tantas veces hemos comentado, los trabajos que se han realizado sobre poder construir una teoría cuántica de la gravedad nos llevan a un número sorprendente de implicaciones. Por un lado, sólo se ha podido conceptuar a la gravedad cuántica, siempre y cuando, el universo tenga más de cuatro dimensiones. Además, se llega a considerar que en la era de Planck, tanto el universo como la gravedad pudieron ser una sola cosa compacta estructurada por objetos cuánticos infinitamente diminutos, como los que suponemos que conforman las supercuerdas. A esta escala, el mismísimo espaciotiempo estaría sometido a imprescindibles fluctuaciones muy semejantes a las que causan las partículas al nacer y desaparecer de la existencia en el espaciotiempo ordinario. Esta noción ha conducido a los teóricos a describir el universo de la era cuántica como una especie de extremadamente densa y agitada espuma que pudo haber contenido las vibrantes cuerdecillas que propugnan los cosmólogos cuerdistas.

Los físicos especulan que el cosmos ha crecido a desde una «nada» primigenia que al nacer comenzó el principio del tiempo y que, en ese parto, contenía toda la materia y toda la energía.

Según la física cuántica, “la nada” no existe. En vez de esto, en la escala más pequeña y elemental del universo hallamos una clase de “espuma cuántica”.

John Wheeler explicó el término de “espuma cuántica” en 1955. A este nivel subatómico, la energía se rige por el principio de Incertidumbre de Heisenberg; sin embargo, para comprender este principio y cualquier aseveración de física cuántica, es importante antes entender que el universo se rige por cuatro dimensiones: tres comprendidas por el espacio que un objeto ocupa (vectores “X”, “Y” y “Z”) y una última, que es el tiempo.

La Física actual no puede describir lo que sucedió en el Big Bang. La Teoría Cuántica y la Teoría de la Relatividad fracasan en éste estado inicial del Universo infinitamente denso y caliente. Tan solo una teoría de la Gravedad  Cuántica que integre ambos pilares fundamentales de la Física, podría proporcionar una idea acerca de cómo comenzó el Universo.

Según los primeros trabajos sobre la teoría cuántica de la gravedad, el propio espaciotiempo varió en su topografía, dependiendo de las dimensiones del universo niño. Cuando el universo era del tamaño de un núcleo atómico (ver imagen de abajo), las condiciones eran relativamente lisas y uniformes; a los 10^-30 cm (centro) es evidente una cierta granulidad; y a la llamada longitud de Planck, todavía unas 1.000 veces más pequeño (abajo), el espacio tiempo fluctúa violentamente.

La Gravedad de Einstein y la Cuántica de Planck… ¡No casan!

Los físicos han intentado con denuedo elaborar una teoría completa de la gravedad que incluya la mecánica cuántica. Los cálculos de la mayoría de las teorías propuesta de la «gravedad cuántica» arrojan numerosos infinitos. Los físicos no están seguros si el problema es técnico o conceptual. No obstante, incluso prescindiendo de una teoría completa de gravedad cuántica, se puede deducir que los efectos de la teoría cuántica, habrían sido cruciales durante los primeros 10^-43 segundos del inicio del universo, cuando éste tenía una densidad de 10⁹³ gramos por centímetro cúbico y mayor. (El plomo sólido tiene una densidad de aproximadamente diez gramos por centímetro cúbico.) Este período, que es el que corresponde a la era de Planck, y a su estudio se le llama cosmología cuántica. Como el universo en su totalidad habría estado sujeto a grandes incertidumbres y fluctuaciones durante la era de Planck o era cuántica, con la materia y la energía apareciendo y desapareciendo de un vacío en grandes cantidades, el concepto de un principio del universo podría no tener un significado bien definido. En todo caso, la densidad del universo durante este período es de tal magnitud que escapa a nuestra comprensión. Para propósitos prácticos, la era cuántica podría considerarse el estado inicial, o principio, del universo. En consecuencia, los procesos cuánticos ocurridos durante este período, cualquiera sea su naturaleza, determinaron las condiciones iniciales del universo.

Observaciones astronómicas indican que el universo tiene una edad de 13,73 ± 0,12 millardos de años (entre 13 730 y 13 810 millones de años) y por lo menos … Sin embargo…

El universo estaba a 3.000° Hace doce mil quinientos millones de años; a 10 mil millones de grados (10¹⁰° K) un millón de años antes, y, tal vez, a 10²⁸° K un par de millones más temprano. Pero, y antes de ese tiempo ¿qué pasaba? Los fósiles no faltan, pero no sabemos interpretarlos. Mientras más elevada se va haciendo la temperatura del universo primigenio, la situación se va complicando para los científicos. En la barrera fatídica de los 10³³° K –la temperatura de Planck–, nada funciona. Nuestros actuales conocimientos de la física dejan de ser útiles. El comportamiento de la materia en estas condiciones tan extremas deja de estar a nuestro alcance de juicio. Peor aún, hasta nuestras nociones tradicionales pierden su valor. Es una barrera infranqueable para el saber de la física contemporánea. Por eso, lo que se suele decir cómo era el universo inicial en esos tempranos períodos, no deja de tener visos de especulación.

Los progresos que se han obtenido en física teórica se manifiestan a menudo en términos de síntesis de campos diferentes. Varios  son los ejemplos que de ello encontramos en diversos estudios especializados, que hablan de la unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

En física se cuentan con dos grandes teorías de éxito: la cuántica y la teoría de la relatividad general.

Cada una de ellas ha demostrado ser muy eficiente en aplicaciones dentro de los límites de su ámbito propio. La teoría cuántica ha otorgado resultados más que satisfactorios en el estudio de las radiaciones, de los átomos y de sus interacciones. La ciencia contemporánea se presenta como un conjunto de teorías de campos, aplicables a tres de las grandes interacciones: electromagnética, nuclear fuerte, nuclear débil. Su poder predictivo es bastante elocuente, pero no universal. Esta teoría es, por ahora, incapaz de describir el comportamiento de partículas inmersas en un campo de gravedad intensa. Ahora, no sabemos si esos fallos se deben a un problema conceptual de fondo o falta de capacidad matemática para encontrar las ecuaciones precisas que permitan la estimación del comportamiento de las partículas en esos ambientes.

La teoría de la relatividad general, a la inversa, describe con gran precisión el efecto de los campos de gravedad sobre el comportamiento de la materia, pero no sabe explicar el ámbito de la mecánica cuántica. Ignora todo acerca de los campos y de la dualidad onda-partícula, y en ella el «vacío» es verdaderamente vacío, mientras que para la física cuántica hasta la «nada» es «algo»…

                  Nada está vacío, ya que, de donde surge es porque había

Claro está, que esas limitaciones representativas de ambas teorías no suelen tener mucha importancia práctica. Sin embargo, en algunos casos, esas limitantes se hacen sentir con agresividad frustrando a los físicos. Los primeros instantes del universo son el ejemplo más elocuente.

El científico investigador, al requerir estudiar la temperatura de Planck, se encuentra con un cuadro de densidades y gravedades extraordinariamente elevadas. ¿Cómo se comporta la materia en esas condiciones? Ambas teorías, no dicen mucho al respecto, y entran en serias contradicciones e incompatibilidades. De ahí la resistencia de estas dos teorías a unirse en una sólo teoría de Gravedad-Cuantíca, ya que, cada una de ellas reina en un universo diferente, el de lo muy grande y el de lo muy pequeño.

Todo se desenvuelve alrededor de la noción de localización. La teoría cuántica limita nuestra aptitud para asignar a los objetos una posición exacta. A cada partícula le impone un volumen mínimo de localización. La localización de un electrón, por ejemplo, sólo puede definirse alrededor de trescientos fermis (más o menos un centésimo de radio del átomo de hidrógeno). Ahora, si el objeto en cuestión es de una mayor contextura másica, más débiles son la dimensión de este volumen mínimo. Se puede localizar un protón en una esfera de un décimo de fermi, pero no mejor que eso. Para una pelota de ping-pong, la longitud correspondiente sería de unos 10^-15 cm, o sea, bastante insignificante.La física cuántica, a toda partícula de masa m le asigna una longitud de onda Compton: lc = h / 2p mc

Por su parte, la relatividad general igualmente se focaliza en la problemática del lugar que ocupan los objetos. La gravedad que ejerce un cuerpo sobre sí mismo tiende a confinarlo en un espacio restringido. El caso límite es aquel del agujero negro, que posee un campo de gravedad tan intenso que, salvo la radiación térmica, nada, ni siquiera la luz, puede escapársele. La masa que lo constituye está, según esta teoría, irremediablemente confinada en su interior.

En lo que hemos inmediatamente descrito, es donde se visualizan las diferencias entre esos dos campos del conocimiento. Uno alocaliza, el otro localiza. En general, esta diferencia no presenta problemas: la física cuántica se interesa sobre todo en los microobjetos y la relatividad en los macroobjetos. Cada cual en su terreno.

Sin embargo, ambas teorías tienen una frontera común para entrar en dificultades. Se encuentran objetos teóricos de masa intermedia entre aquella de los microobjetos como los átomos y aquella de los macroobjetos como los astros: las partículas de Planck. Su masa es más o menos la de un grano de sal: 20 microgramos. Equivale a una energía de 10²⁸ eV o, más aún, a una temperatura de 10³³° K. Es la «temperatura de Planck».

Ahora bien, si queremos estimar cuál debería ser el radio en que se debe confinar la masita de sal para que se vuelva un agujero negro, con la relatividad general la respuesta que se logra encontrar es de que sería de 10^-33 cm, o sea ¡una cien mil millonésima de mil millonésima de la dimensión del protón! Esta dimensión lleva el nombre de «radio de Planck». La densidad sería de ¡10⁹⁴ g/cm3! De un objeto así, comprimido en un radio tan, pero tan diminuto, la relatividad general sólo nos señala que tampoco nada puede escapar de ahí. No es mucha la información.

Si recurrimos a la física cuántica para estimar cuál sería el radio mínimo de localización para un objeto semejante al granito de sal, la respuesta que encontramos es de un radio de 10^-33 cm. Según esta teoría, en una hipotética experiencia se lo encontrará frecuentemente fuera de ese volumen. ¡Ambos discursos no son coincidentes! Se trata de discrepancias que necesitan ser conciliadas para poder progresar en el conocimiento del universo. ¿Se trata de entrar en procesos de revisión de ambas teoría, o será necesaria una absolutamente nueva? Interrogantes que solamente el devenir de la evolución de la física teórica las podrá responder en el futuro.

No sabemos por qué existen los fermiones y los bosones gauge que han sido observados en los experimentos. Todas las piezas del puzzle encajan a la perfección, pero la imagen mostrada en el puzzle no la han elegido las leyes físicas que conocemos, nos viene impuesta por la Naturaleza. Lo único que podemos decir es que la Naturaleza es así y nos gustaría saber el porqué, pero aún estamos muy lejos de descubrirlo (si es que es posible hacerlo sin recurrir a un principio antrópico).

De todas las maneras, en lo que se refiere a una Teoría cuántica de la Gravedad, tendremos que esperar a que se confirmen las teorías de supergravedad, supersimetría, cuerdas, la cuerda heterótica, supercuerdas y, la compendiada por Witten Teoría M. Aquí, en estas teorías (que dicen ser del futuro), sí que están apasiblemente unidas las dos irreconcialbles teorías: la cuántica y la relativista, no sólo no se rechazan ni emiten infinitos, sino que, se necesitan y complementan para formar un todo armónico y unificador.

¡Si pudiéramos verificarla!

Pero, contar con la energía de Planck (10¹⁹ GeV), no parece que, al menos de momento, no sea de este mundo. Ni todos los aceleradores de partículas del mundo unidos, podrían llegar a conformar una energía semejante.

emilio silvera

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Una vez que se ha puesto orden entre las numerosas especies de partículas, se puede reconocer una pauta. Igual que Dimitri Ivanovich Mendeleev descubrió el sistema periódico de los elementos químicos en 1869, así también se hizo visible un sistema similar para las partículas. Esta pauta la encontraron independientemente el americano Murray Gell-Mann y el israelí Yuval Ne’eman. Ocho especies de mesones, todos con el mismo espín, u ocho especies de bariones, con el mismo espín, se podían reagrupar perfectamente en grupos que llamaremos multipletes. El esquema matemático correspondiente se llama SU(3). Grupletes de ocho elementos forman un octete “fundamental”. Por esta razón Gell-Mann llamó a esta teoría el “óctuplo camino”. Lo tomó prestado del budismo de acuerdo con el cual el camino hacia el nirvana es el camino óctuplo.

Pero las matemáticas SU(3) también admiten multipletes de diez miembros. Cuando se propuso este esquema se conocían nueve bariones con espín 3/2. Los esquemas SU(3) se obtienen al representar dos propiedades fundamentales de las partículas, la extrañeza S frente al isoespín I₃ , en una gráfica.

Imagen de trazas en la cámara de burbujas del primer evento observado incluyendo bariones Ω, en el Laboratorio Nacional Brookhaven.

De esta manera, Gell-Mann predijo un décimo barión, el omega-menos (Ω¯), y pudo estimar con bastante precisión su masa porque las masas de los otros nueve bariones variaban de una forma sistemática en el gráfico (también consiguió entender que las variaciones de la masa eran una consecuencia de una interacción simple). Sin embargo, estaba claro que la Ω¯, con una extrañeza S = -3, no tenía ninguna partícula en la que desintegrarse que no estuviera prohibida por las leyes de conservación de la interacción fuerte. De modo que, la Ω¯ sólo podía ser de tan sólo 10¯²³ segundos como los demás miembros del multiplete, sino que tenía que ser del orden de 10¯¹⁰ segundos. Consecuentemente, esta partícula debería viajar varios centímetros antes de desintegrarse y esto la haría fácilmente detectable. La Ω¯ fue encontrada en 1964 con exactamente las mismas propiedades que había predicho Gell-Mann.

Murray Gell-Mann, nacido en Nueva York en el año 1929, recibió el premio Nobel de Física en 1969 por su aporte en la teoría de las partículas atómicas.

Murray Gell-Mann, nacido en Nueva York en el año 1929, recibió el premio Nobel de Física en 1969 por su aporte en la teoría de las partículas atómicas.

Se identificaron estructuras multipletes para la mayoría de los demás bariones y mesones y Gell-Mann también consiguió explicarlas. Sugirió que los mesones, igual que los bariones, debían estar formados por elementos constitutivos “más fundamentales aún”. Gell-Mann trabajaba en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena (CalTech), donde conversaba a menudo con Richard Feynman. Eran ambos físicos famosos pero con personalidades muy diferentes. Gell-Mann, por ejemplo, es conocido como un entusiasta observador de Pájaros, familiarizado con las artes y la literatura y orgulloso de su conocimiento de lenguas extranjeras. Feynman fue un hombre hecho a sí mismo, un analista riguroso que se reía de cualquier cosa que le recordara la autoridad establecida. Hay una anécdota que parece no ser cierta de hecho, pero que me parece tan buena que no puedo evitar el contarla; podía haber sucedido de esta forma. Gell-Mann le dijo a Feynman que tenía un problema, que estaba sugiriendo un nuevo tipo de ladrillos constitutivos de la materia y que no sabía qué nombre darles. Indudablemente debía haber de haber pensado en utilizar terminología latina o griega, como ha sido costumbre siempre en la nomenclatura científica. “Absurdo”, le dijo Feynman; “tú estás hablando de cosas en las que nunc ase había pensado antes. Todas esas preciosas pero anticuadas palabras están fuera de lugar. ¿Por qué no los llamas simplemente “shrumpfs”, “quacks” o algo así?”.

Cuando algún tiempo después le pregunté a Gell-Mann, éste negó que tal conversación hubiera tenido lugar. Pero la palabra elegida fue quark, y la explicación de Gell-Mann fue que la palabra venía de una frase de Fynnegan’s Wake de James Joyce; “¡Tres quarks para Muster Mark!”. Y, efectivamente así es. A esas partículas les gusta estar las tres juntas. Todos los bariones están formados por tres quarks, mientras que los mesones están formados por un quark y un antiquark.

Los propios quarks forman un grupo SU(3) aún más sencillo. Los llamaremos “arriba (u)”, “abajo” (d), y “extraño” (s). Las partículas “ordinarias” contienen solamente quarks u y d. Los hadrones “extraños” contienen uno o más quarks s (o antiquarks ŝ).

La composición de quarks de espín 3/2 se puede ver en la tabla 5. La razón por la que los bariones de espín ½ sólo forman un octete es más difícil de explicar. Está relacionada con el hecho de que en estos estados, al menos dos de los quarks tienen que ser diferentes unos de otros.

Realmente, la idea de que los hadrones estuvieran formados por ladrillos fundamentales sencillos había sido también sugerida por otros. George Zweig, también en el CalTech, en Pasadena, había tenido la misma idea. Él había llamado a los bloques constitutivos “ases!, pero es la palabra “quark” la que ha prevalecido. La razón por la que algunos nombres científicos tienen más éxito que otros es a veces difícil de comprender.

Pero en esta teoría había algunos aspectos raros. Aparentemente, los quarks (o ases) siempre existen en parejas o tríos y nunca se han visto solos. Los experimentadores habían intentado numerosas veces detectar un quark aislado en aparatos especialmente diseñados para ello, pero ninguno había tenido éxito.

Los quarks –si se pudieran aislar- tendrían propiedades incluso más extrañas. Por ejemplo, ¿cuáles serían sus cargas eléctricas? Es razonable suponer que tanto los quarks u como los quarks s y d deban tener siempre la misma carga. La comparación de la tabla 5 con la tabla 2 sugiere claramente que los quarks d y s tienen carga eléctrica -1/3 y el quark u tiene carga +2/3. Pero nunca se han observado partículas que no tengan carga múltiplo de la del electrón o de la del protón. Si tales partículas existieran, sería posible detectarlas experimentalmente. Que esto haya sido imposible debe significar que las fuerzas que las mantienen unidas dentro del hadrón son necesariamente increíblemente eficientes.

Aunque con la llegada de los quarks se ha clarificado algo más la flora y la fauna de las partículas subatómicas, todavía forman un conjunto muy raro, aún cuando solamente unas pocas aparezcan en grandes cantidades en el universo (protones, neutrones, electrones y fotones). Como dijo una vez Sybren S. de Groot cuando estudiaba neutrinos, uno realmente se enamora de ellos. Mis estudiantes y yo amábamos esas partículas cuyo comportamiento era un gran misterio. Los leptones, por ser casi puntuales, son los más sencillos, y por tener espín se ven afectados por la interacción que actúa sobre ellos de forma muy complicada, pero la interacción débil estaba bastante bien documentada por entonces.

Los hadrones son mucho más misteriosos. Los procesos de choque entre ellos eran demasiado complicados para una teoría respetable. Si uno se los imagina como pequeñas esferas hachas de alguna clase de material, aún quedaba el problema de entender los quarks y encontrar la razón por la que se siguen resistiendo a los intentos de los experimentadores para aislarlos.

Si queréis saber más sobre el tema, os recomiendo leer el libro Partículas de Gerard ´t Hooft

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Las partículas cuánticas vuelven a derribar el «mundo feliz» de Einstein

El genio alemán inauguró la mecánica cuántica pero nunca aceptó sus paradojas, como que las partículas pudieran estar en varios sitios al mismo tiempo. Este mes, un nuevo artículo confirma que esto ocurre hasta a una distancia de 735 kilómetros

Un nuevo estudio confirma que los neutrinos sufren efectos cuánticos a grandes distancias – Christine Daniloff/MIT

Aunque la historia situaría a Albert Einstein como el padre de la mecánica cuántica, la física que explica el comportamiento de lo más pequeño, en realidad él mismo se resistía a aceptarla y al final acabó convirtiéndose en uno de sus más firmes críticos. No se le puede culpar. Cuando cualquiera se acerca al mundo cuántico, se encuentra con una realidad difuminada, habitada por extrañas partículas que pueden estar en varios sitios a la vez o en varios estados al mismo tiempo. Además, el estado de estas partículas solo se define cuando alguien se decide a mirarlas. ¡Es de locos!

En este sentido, cuentan que una vez Einstein le preguntó a Niels Böhr: «¿De verdad crees que la Luna no está ahí cuando dejas de mirarla?». La experiencia cotidiana y la de Einstein dicen que las cosas están ahí aunque nadie las mire, y que de alguna forma están definidas de modo objetivo: la Luna es la Luna haya o no hombres para mirarla.

Pero la mecánica cuántica viene a decir que eso no pasa con las partículas. Durante decenas de años se ha concluido, al menos hasta que una nueva teoría lo contradiga, que en el mundo de los electrones o los fotones las propiedades no están definidas. Se dice que están superpuestas, lo que significa que ocurren al mismo tiempo y que es el observador es quien las define (la Luna está ahí y no está hasta que alguien la mira). Lo interesante es que este desafío a la realidad cotidiana se ha observado cada vez que los físicos se han atrevido a estudiar de cerca a la materia.

Un estudio que se publicará este mes en «Physical Review Letters» por parte de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) se ha sumado a todas las investigaciones que desafían al sentido común y que se adentran en el mundo cuántico. Ha confirmado de nuevo que los extraños fenómenos cuánticos ocurren en unas partículas llamadas neutrinos y, por primera vez, ha concluido que este efecto ocurre incluso a distancias gigantescas de cientos de kilómetros. De hecho, este trabajo ha batido un récord, y se puede decir que ha logrado comprobar que la mecánica cuántica ocurre a la mayor distancia hasta el momento.

«Durante alrededor de 100 años, los físicos han usado la mecánica cuántica para darle sentido a la materia. Esta mecánica cuántica parece aplicarse sin problemas a objetos a escalas muy pequeñas (por ejemplo, los átomos son típicamente de uno a diez nanómetros de tamaño), y sabemos que esas ecuaciones de mecánica cuántica pueden explicar el comportamieto de los átomos», ha explicado a ABC David Kaiser, el primer autor del estudio. «Pero en nuestro último trabajo, hemos descubierto que debemos seguir usando la mecánica cuántica incluso cuando analizamos el comportamiento de objetos a distancias enormes, dentro de la escala humana… ¡Hasta llegar a los 735 kilómetros!».

En opinión de Germán Sierra, profesor de investigación en el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, «la importancia de este estudio nace de haber logrado validar la mecánica cuántica a una distancia de 700 kilómetros». (Sierra es autor de la paradoja de los dos gatos vivos y muertos al mismo tiempo).

Los límites de la realidad

 

Por muy extraña que parezca, la mecánica cuántica parece ser la única «receta» que funciona para hablar de la parte íntima de la materia. Ahora solo falta averiguar hasta dónde o cuándo: «Entender dónde o cúando los efectos cuánticos dejan de ser relevantes es un gran misterio», ha reconocido el propio Kaiser. Para resolverlo, los investigadores trabajan con los efectos cuánticos cada vez a mayores distancias o implicando a números de átomos o moléculas cada vez mayores.

«La mecánica cuántica choca contra el sentido común. Y, como no nos habituamos a ello, siempre buscamos nuevas situaciones para buscar los límites», ha dicho Sierra.

Neutrinos a casi la velocidad de la luz

 

Por este motivo, los investigadores del MIT se centraron en investigar los neutrinos. Son unas partículas parecidas a los electrones pero sin carga eléctrica, y tienen la capacidad de atravesar la materia sin interaccionar con ella. Por ejemplo, aunque cada segundo atraviesan nuestro cuerpo cientos de millones de neutrinos, nunca se ha observado ningún efecto.

Los neutrinos son inocuos, pero también son interesantes. Por ejemplo, dos investigadores recibieron en 2015 el premio Nobel por descubrir que los neutrinos oscilan entre varios estados o sabores y que viajan por el Universo a casi la velocidad de la luz.

Sabiendo esto, se podría pensar que los neutrinos no tienen un comportamiento cuántico y que se comportan de acuerdo a los principios de la realidad clásica que podemos ver con nuestros propios ojos. Esto significaría que podrían cambiar su sabor, pero que tendrían uno cada vez y no varios al mismo tiempo. Pero el equipo de David Kaiser, del MIT, ha descubierto que no es así. Los estados de los neutrinos están superpuestos (varios ocurren al mismo tiempo) y además entrelazados (a grandes distancias es imposible distinguirlos).

«Solemos pensar que la mecánica cuántica actúa a pequeñas escalas», ha dicho Kaiser en un comunicado del MIT. «Pero resulta que no podemos escapar de la mecáncia cuántica, ni siquiera cuando describimos procesos que ocurren a grandes distancias. No podemos detener nuestra descripción cuántica incluso cuando las cosas dejan un estado y entran en otro, viajando durante cientos de kilómetros. Creo que es asombroso».

El espacio no es lo que era

 

Y aún resulta más asombroso si se piensa en las implicaciones de este tipo de investigaciones: «Se trata de ver de nuevo la diferencia entre mundo cuántico y mundo clásico (el cotidiano e intuitivo en el que las propiedades están definidas)», ha explicado Germán Sierra. ¿Dónde están los límites entre uno y otro? ¿Por qué a cientos de kilómetros las partículas están unidas?

Para encontrar esta diferencia entre cuántico y clásico, se ha recurrido a una corriente de experimentos que comenzó en los años setenta, y cuya base es verificar que ciertas relaciones matemáticas del «mundo real» se cumplen en el mundo cuántico. Cuando esto no ocurre, la conclusión es que el sistema observado es cuántico. «Es como una industria. Siempre hay alguien que propone una nueva explicación compatible con un mundo realista (y no cuántico). Entonces, se verifica experimentalmente y se acaba descartando», ha explicado Germán Sierra.

En esta ocasión, este lento y constante avance de la ciencia se ha conseguido a través de un experimento realizado en el MINOS (Inyector Principal de Investigación de Oscilación de Neutrinos) del Fermilab (Chicago). En esta investigación, se produjeron neutrinos en Chicago y se «dispararon» hacia un detector de Minnesota, situado a una distancia de 735 kilómetros.

A través de los cálculos matemáticos, y después de descartar que los resultados no hubieran sido producidos por errores (con una probabilidad de equivocarse de uno entre cien mil millones), el equipo de Kaiser concluyó que las oscilaciones de los sabores de los neutrinos son más compatibles con la idea de que sigan un comportamiento cuántico. La implicación directa es que todo apunta a que los neutrinos no tienen ninguna identidad concreta en todo ese viaje que hacen entre los dos detectores.

Según ha dicho el investigador André de Gouvêa en una opinón recogida por el MIT, el hecho de que los neutrinos vayan tan rápido e interaccionen tan poco con la materia puede facilitar que los «efectos relativistas sean enormes, y conspiren para hacer que grandes distancias parezcan pequeñas». «El resultado final (…) es que la mecánica cuántica parece ser la descripción correcta del mundo en todas las distancias», ha añadido.

¿Por qué lo grande no es cuántico?

 

Pero entonces, ¿por qué la Luna o los objetos cotidianos no están en dos sitios al mismo tiempo? Tal como explica Sierra, la explicación está en la coherencia: «Los objetos macroscópicos sufren muchas interacciones con su entorno y de forma continua. No se puede observar sus propiedades de forma aislada, y se dice que pierden la coherencia. Es entonces cuando se considera que puede aplicarse la física del mundo clásico».

Pero de nuevo en el reino de lo pequeño, resulta que las partículas sí son coherentes, entre sí. Se comportan del mismo modo a la vez, incluso a grandes distancias, sufren fenómenos de superposición y entrelazamiento. Al final, no se pueden separar en dos partes, son como una especie de continuo.

El problema sigue ahí delante. Mientras que el mundo cotidiano parece ser objetivo y tener unas propiedades determinadas con independencia del observador, el mundo cuántico parece tener unas reglas totalmente contrarias. O quizás no tener reglas. El problema es unir ambos mundos, o sea, unir la relatividad general y la mecánica cuántica. Lo pequeño y lo grande. Mientras que el espacio-tiempo se entiende con la física clásica, aún no se sabe explicar con la mecánica cuántica. Dicen que podría ser granuloso, que en realidad podría no existir y emerger de las partículas. Los físicos teóricos siguen devanándose los sesos y forzando los límites de la realidad.

«Aún está abierta la pregunta de cuánta materia es necesaria o qué distancias hay que aplicar para que la descrición clásica de la realidad sea aceptable. ¿Qué hace falta para que uno pueda usar las teorías más intuitivas y familiares de Newton?», se ha preguntado Kaiser.

«El propio Einstein confiaba en que los físicos encontrarían alguna teoría de la matería que no incluyera todas estas extrañas e increíbles propiedades. Esperaba que en esa teoría las partículas tuvieran valores definidos para sus propiedades, con independencia de que alguien las midiera o no. Pero hasta ahora, cada uno de los experimentos que se han hecho ha sido consistente con la teoría cuántica y ha hecho que sea muy, pero que muy difícil reconciliar sus resultados con las intuiciones de Einstein», ha concluido Kaiser. ¿Qué opinaría de todo esto el genio alemán?

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