Todos los que nos asomamos por la ventana de la Física, sabemos, más o menos que, después de más de treinta años de historia con la Teoría de dimensiones extra, no es aún, nada fácil encontrar una respuesta sencilla a una sencilla pregunta: ¿Qué es, la Teoría de Cuerdas? Y, lógicamente, muchos científicos del ámbito de la física, están verdaderamente escandalizados con todo este movimiento del que ellos, hablan como de un montaje circense, una comedia en la que, expertos malabaristas de las matemáticas topológicas, hacen trucos de magia para que parezca lo que no es.

Sin embargo, la cosa no parece que sea tan fácil de despachar, cientos y miles de artículos avalan esa Teoría que, en muchos aspectos, parece ser la esperanza futura de la Física y la única que nos puede abrir caminos ahora cerrados que, nos llevarán más lejos, a lugares que ahora, con la física actual, no podemos visitar.

 

 

 

 

Claro que no todo son críticas, en un artículo que leí en alguna parte nos dicen: “La teoría ha sido elogiada por algunos físicos debido a su potencial para forjar el largamente buscado vínculo entre la gravedad y las fuerzas que dominan en el núcleo atómico. Pero la teoría –que propone que todas las partículas subatómicas son en realidad diminutas “cuerdas” que vibran de diferentes formas– también ha arrastrado críticas por ser incomprobable en el laboratorio, y tal vez imposible de conectar con los fenómenos del mundo real.

 

 

Algunos ven la Teoría de cuerdas como un sueño imposible

 

Sin embargo, los investigadores de Princeton han descubierto una nueva prueba matemática de que alguna de las predicciones de la Teoría de Cuerdas se entrelazan estrechamente con un cuerpo de la física muy respetable llamado “Teoría Gauge”, el cual se ha demostrado que subyace en las interacciones entre quarks y gluones, los menudos objetos que se combinan para formar protones, neutrones y otras partículas subatómicas más exóticas. El descubrimiento, dicen los físicos, podría dar lugar a una gran cantidad de usos de la Teoría de Cuerdas atacando problemas de la física práctica.”

 

 

 

 

Es cierto que la Física está dominada por los paradigmas impuestos desde hace cien años por la mecánica cuántica y la relatividad que son dos teorías fundamentales que parten de principios rectores a partir de los cuales las teorías se construyen de una manera casi sistemática. En estos ejemplos es fácil de identificar ese principio rector:

En la Relatividad el principio es la constancia de la velocidad de la luz o, lo que es equivalente, que la velocidad de la luz determina una cota máxima sobre la velocidad de transmisión de información. Una vez aceptado este principio, el resto se da casi por añadidura. La constancia de la velocidad de la luz implica un espacio tiempo con una determinada geometría, la equivalencia entre masa y energía, así como el resto de los resultados de la Dinámica y la Cinemática Relativistas.

 

 

 

Este es el tiempo que tarda la luz en llegar desde la Tierra a la Luna situada a 380.000 Km de nosotros

 

No podemos perder de vista el hecho cierto de que, la razón por la que la Relatividad se convierte en una auténtica Teoría autónoma es precisamente porque eleva la constancia de la velocidad de la luz a principio rector, a postulado. No se trata de explicar o modelar dinámicamente por qué la velocidad de la luz es la velocidad máxima sino que, muy por el contrario, se trata de derivar toda una cinemática, de hecho la propia naturaleza geométrica del espacio y el tiempo, a partir de dicho postulado.

 

 

 

El Universo de la Mecánica Cuántica nos es fantasmagórico e irreal, es un mundo aparte en el que, podemos ver cosas inusuales y sorprendentes, allí no rigen las mismas leyes que podemos constatar a nuestro alrededor en el mundo macroscópico, o, si están presentes, funcionan de otra manera que, alejada de nuestro propio mundo, no hemos llegado a comprender…del todo.

Nos decía el filósofo Karl Popper:

 

“La ciencia será siempre una búsqueda, jamás un descubrimiento real. Es un viaje, nunca una llegada.”

 

El hombre llevaba toda la razón toda vez que, emprendemos la aventura de la Ciencia y tratamos de buscar “cosas” y “comportamientos” que nos digan por qué, la Naturaleza, funciona de esta o de aquella otra manera. Vamos desvelendo escenarios y obteniendo algunas respuestas pero, el viaje no acaba nunca, a cada puerta abierta, nos encontramos con otro nuevo espacio en el que también, existen muchas puertas cerradas cuyas llavez tendremos que encontrar y, siempre será, de esa manera: ¡Un viaje intermivnable! Siempre hay alguna cosa nueva si vamos un poco más allá.

 

 

 

Cada uno de estos cuatro espacios de Hilbert tiene un análisis de Fourier asociado con el.

 

L2([a,b]) → Series de Fourier
ℓ2([0,n−1]) → Transformada Discreta de Fourier
L2(R) → Transformada de Fourier
ℓ2(Z) → Transformada Discreta de Fourier en Tiempo

Pero los cuatros están basados en el mismo principio (Espacio de Hilbert).
Nota Importante: no todos los espacios normalizados son espacios de Hilbert

 

Y por tanto el espacio de Hilbert de esos estados puros se asociará con un punto en esa esfera y un sistema multiqubit será algo como lo expresado en la figura.

 

De forma más formal, el Espacio de Hilbert se define como un espacio de producto interior que es completo  con respecto a la norma vectorial definida por el producto interior. Los espacios de Hilbert sirven para clarificar y para generalizar el concepto de series de Fourier, ciertas transformaciones lineales tales como la transformación de Fourie, y son de importancia crucial en la formulación matemática de la mecánica cuántica.

 

 

 

 

El espacio de Hilbert es una pura construcción matemática pero responde a la perfección a lo que hacía falta para elaborar la teoría cuántica. De no haberse descubierto habría habido que inventarlo para las necesidades de la teoría. El espacio de Hilbert es un espacio vectorial infinitamente grande. En su momento, esto fue una idea revolucionaria, en virtud de que todos los espacios vectoriales, inclusive los espacios matemáticos abstractos, eran finitos. Pero afortunadamente en su trabajo sobre ecuaciones integrales llevado a cabo en 1912 David Hilbert tuvo la visión suficiente para captar la necesidad de tener que postular un espacio vectorial infinitamente grande para poder proyectar todo el aparato matemático de la Mecánica Cuántica sobre una base rigurosamente formal. Y quince años después correspondió a otro matemático igualmente brillante, el matemático húngaro John Neumann, el darle en 1927 una definición axiomática al espacio vectorial de Hilbert en su ya famosa obra Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Pero Hilbert no solo propuso un espacio vectorial infinitamente grande. Propuso también que los componentes de los “vectores” pudiesen ser números imaginarios o números complejos sin estar limitados a ser números reales, redefiniendo a la vez el concepto del producto interno de dos vectores para que dicho producto pudiese seguir siendo un número real con significado físico.

En el caso de la Mecánica Cuántica el principio rector es el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. De nuevo este principio se postula como principio básico y a partir de allí se deduce como tiene que ser el espacio de estados físicos, que se convierte en un espacio de naturaleza completamente nueva como lo es un espacio de Hilbert.

 

 

 

Esto da lugar a fenómenos tan sorprendentes como el entrelazamiento cuántico o la estabilidad atómica.

 

 

 

Sí, el camino ha sido largo. En la serie de artículos Fundamentos de una teoría general de las ecuaciones integrales, Hilbert analizó las técnicas introducidas para estudiar estas ecuaciones por Poincaré y Fredholm a finales del XIX, mejorando sus resultados. En el cuarto artículo de esta serie, publicado en 1906, Hilbert prueba que las ecuaciones integrales pueden resolverse como un sistema de infinitas ecuaciones lineales con infinitas incógnitas.

 

 

 

 

Todos los objetos situados en el mismo campo gravitatorio caen con la misma aceleración si y sólo si la proporción entre masa gravitacional e inercial es igual a una constante. Por eso precisamente decimos que, en Relatividad General, el principio rector  es el principio de equivalencia entre masa inercial y masa gravitatoria.

En la Teoría de Cuerdas la situación es completamente distinta. Se desconoce cual pueda ser el principio rector, si en realidad existe algún principio rector en esta teoría, y es, precisamente este desconocimiento el qure genera en nosotros perplejidad cuando se nos pide una respuesta sencilla a: ¿Qué es la Teoría de Cuerdas?

Recordemos que el nacimiento de la teoría fue, esencialmente modesto. Aquel momento en el que proliferaban los experimentos de resonancias en interacciones fuertes con espines altos resultaba desconcertante, se observó que una manera de hacer consistente la mediación de la interacción con partícuals de espín alto consistía en imponer a las amplitudes de colisión una simetría particular que se denominó dualidad. Desde entonces las cosas han cambiado de manera exponencial y se habla de otra manera y de otras cosas. Veámos que nos dice, por ejemplo, uno de los padres de la teoría de cuerdas:

 

 

 

 

 

“Me gusta esta figura porque muestra muy claramente lo que conocemos en física de partículas, lo que esperamos explorar en las próximas décadas, y lo que creemos conocer, aunque nunca llegaremos a explorar de forma directa. La partícula con más masa conocida tiene menos de 200 GeV y todavía se sigue explorando entre 10 a 200 GeV en busca de nuevas partículas. Basta recordar que se acaba de descubrir una partícula con 125 GeV de masa, el bosón de Higgs, y que muchos físicos creen que la partícula responsable de la materia oscura tiene una masa en este rango. El LHC y sus sucesores en las próximas décadas explorarán las energías entre 100 y 5000 GeV (difícilmente podrán llegar más lejos). Sin embargo, hay un desierto hasta energías de 10 000 000 000 GeV (la escala de Planck) que no hemos explorado, que no podremos explorar en el siglo XXI y del que no conocemos absolutamente nada, aunque imaginamos muchas cosas.”

Si sabemos, por ejemplpo que.. la constante de Planck, h = 6,626075…x 10 exp. -34 julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, …

 

Como facilmente podemos deducir de lo que arriba se dice, estamos muy lejos aún de llegar a un autoconsistente final en la teoría de cuerdas que, posiblemente necesite disponer de la energía de Planck (10¹⁹ GeV), para verificarla de manera que no dejara ningún lugar a dudas. Hemos podido verificar la Teoría Cuántica y tambien, las dos versiones de la Teoría de la Relatividad. Sin embargo… Las cuerdas están lejos de ser una teoría que podamos aceptar y, sólo esperanzas podemos volcar en ella, con la idea de que, en un futuro más o menos lejano, nos pudiera dar aquellas respuestas que, de momento, no encontramos.

No podemos negar que algunos resultados en esta teoría han sido sobresalientes: Las resonancias, que habían actuado como motivación, se acomodaban como modos de vibración de las cuerdas y la democracia nuclear adquiría un status más sólido al reflejar una manera de unificar partículas, con espines arbitrariamente altos, como distintos modos de vibración de un mismo objeto fundamental. Aunque estos avances fueron destacados, la teoría empezó pronto a hacer aguas. En primer lugar, las cuerdas eran tan solo una manera de modelar la física subyacente a las amplitudes duales, pero por otra parte esta estructura de objetos extendidos fundamentales producía una serie de consecuencia que no iban a encajar con los futuros resultados experimentales en interacciones fuertes.

Las amplitudes duales, aunque implementaban la idea de democracia nuclear, daban ineludiblemente lugar a un comportamiento de las amplitudes a altas energías mucho más suave del que se observaba en la realidad. Por otro lado los avances formales habían mostrado que la consistencia de la teoría exigía un espacio tiempo de dimensión 26 y que el espectro contenía al menos un taquión (una partícula con masa imaginaria). Estos defectos fueron pronto, parcialmente subsanados, dando lugar a conceptos que han ocupado un papel crucial en la Física de los últimos lustros; estoy hablando de la supersimetría y al renacimiento de las ideas de Kaluza  y Klein sobre espacio-tiempo con más de cuatro dimensiones.

Seguiremos hablando de la Teoría de Cuerdas y llegaremos hasta la actual posición que ocupa ésta compleja idea que algunos físicos han venido desarrollando en los últimos cuarenta años y que, nadie sabe en qué pueda desembocar. Muchas han sido las teorías que han sido desarrolladas y, siempre, nos dieron respuestas a cuestiones que, en un principio, ni podíamos imaginar.

¿Os acordáis de la Teoría del Caos?

                                                           El efecto mariposa, un atractor extraño

El orden lleva asociado un grado importante de predicción, al caos le sucede lo contrario. Los sistemas lineales, representan el orden, son predecibles y cómodos de manejar, de ahí nuestra tendencia a generalizarlos. Ante un sinfín de situaciones generalizamos, proyectamos los datos del presente para tratar de averiguar un comportamiento futuro y casi siempre nos va bien. Pero existen sistemas que se resisten: pequeñas variaciones, incertidumbres, en los datos iniciales desembocan en situaciones finales totalmente descontroladas e impredecibles. Son los llamados sistemas caóticos.

Pues, de la misma manera, estamos tratando de desarrollar una teoría que, de alguna manera, nos pueda responder a cuestiones que son presentidas e intuidas pero que, hasta el momento, nadie ha podido explicar y, es precisamente con la Teoría de Cuerdas con lo que se quiere buscar esas respuestas profundamente escondidas en las entrañas de la naturaleza: ¡La Teoría de Cuerdas! Que podría ser una quimera o una gran solución.

emilio silvera

En 1935 un molesto Albert Einstein, junto con sus colegas Podolsky y Rosen, presentaron la llamada “paradoja EPR”, por sus iniciales. Esta quería servir de ejemplo para decir que la mecánica cuántica era una “teoría” incompleta y fallida. Que necesitaba de una profunda revisión. ¿Y por qué? Porque, según el propio Einstein, este conjunto de hipótesis violaba el universo tal y como lo conocemos. Por lo tanto, tenía que estar mal en algún punto. Sin embargo, lo que no sabía Einstein es que la paradoja presentada es en realidad una manifestación real de lo que ocurre en la naturaleza. Efectivamente, en los tiempos que corren hemos podido comprobar un fenómeno inquietante y extraordinario que permite que dos partículas separadas entre sí por una distancia monstruosa sean capaces de “comunicarse” sin que exista nada, ningún canal de transmisión, entre las dos. A este extraño fenómeno, que rompe por completo nuestra manera de entender el mundo, lo llamamos entrelazamiento cuántico.

Científicos del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austríaca de Ciencias, de la Universidad de Viena y de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han conseguido por primera vez entrelazar tres partículas de luz o fotones utilizando una propiedad cuántica relacionada con el retorcimiento (twist) de la estructura de sus frentes de onda.

De la misma manera que el famoso gato de Schrödinger está simultáneamente vivo y muerto, todas las demostraciones experimentales realizadas hasta ahora de entrelazamiento de varias partículas han sido llevadas a cabo con objetos cuánticos en dos dimensiones, dos niveles discretos posibles. Los fotones retorcidos utilizados en el experimento de Viena no tienen ese límite bidimensional y pueden existir en tres o más estados cuánticos vez.

El estado de entrelazamiento entre tres fotones creado por el grupo de Viena bate el récord previo de dimensionalidad, y da luz a una nueva forma de entrelazamiento asimétrico que nunca ha sido observado hasta ahora. Los resultados aparecen esta semana publicados en Nature Photonics.

El entrelazamiento es una propiedad antiintuitiva de la física cuántica que siempre ha desconcertado a los científicos y los filósofos. Los cuantos de luz entrelazados parecen ejercer una influencia entre ellos, no importa la distancia a la que se encuentren. De manera metafórica puede considerarse un patinador de hielo con la asombrosa habilidad de girar sobre sí mismo tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario, al mismo tiempo.

Un par de patinadores entrelazados alejándose entre ellos mientras hacen este sorprendente giro tendrán las direcciones de giro perfectamente correlacionadas: si en un instante el primero gira en un sentido, también lo hace el otro, aunque estén tan lejos que terminen en pistas en continentes diferentes.

“Los fotones entrelazados de nuestro experimento se pueden ilustrar no con dos, sino con tres patinadores, danzando una coreografía cuántica pefectamente sincronizada”, explica Mehul Malik, el primer autor del artículo. “Su danza es un poco más compleja, con dos de los patinadores mostrando, además, otro movimiento correlacionado, además del giro mencionado. De hecho, somos los primeros que hemos conseguido este tipo de entrelazamiento cuántico asimétrico en el laboratorio”, continúa Malik.

Los investigadores han creado el estado de entrelazamiento entre tres fotones utilizando otro artificio cuántico: han combinado dos pares de fotones con entrelazamiento de alta dimensión de tal manera que era imposible saber de dónde procedía cada uno de los fotones. Aparte de servir como campo de pruebas para estudiar muchos conceptos fundamentales de la mecància cuántica, los estados de entrelazamiento de varios fotones vez, como este, tienen aplicaciones que van desde la computación cuántica hasta la encriptación cuántica.

En esta línea, los autores de la investigación proponen un nuevo tipo de protocolo de criptografía cuántica, basado en este estado de entrelazamiento asimétrico, que permite que diferentes capas de información se compartan de forma asimétrica entre varios emisores y destinatarios con total seguridad.

Los científicos consideran que, aunque todavía habrá que solventar muchos obstáculos técnicos antes de que este protocolo se pueda utilizar en la práctica, el rápido progreso de la tecnología cuántica hace que sea sólo cuestión de tiempo que esta tecnología encuentre su lugar en las redes cuánticas del futuro. “El experimento abre las puertas a un futuro Internet cuántico, con más de dos interlocutores, que permitiría una comunicación de más de dos bits por fotón”, añade Zeilinger.

En la investigación ha participado Mehul Malik, Manuel Erhard, Mario Krenn, Robert Fickler, Anton Zeilinger, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austríaca de Ciencia (IQOQI) y el investigador del Grupo de información y de Fenómenos Cuánticos del Departamento de Física de la UAB Marcus Huber, físico teórico que ha inventado las técnicas necesarias para analizar el experiemento. La investigación ha sido financiada por la Comisión Europea, el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y la Austrian Science Fund (FWF). (Fuente: UAB)

                                   Interacciones en la naturaleza

 Albert Einstein habría dicho que “es más importante la imaginación que el conocimiento”, el filósofo Nelson Goodman ha dicho que “las formas y las leyes de nuestros mundos no se encuentran ahí, ante nosotros, listas ser descubiertas, sino que vienen impuestas por las versiones-del-mundo que nosotros inventamos – ya sea en las ciencias, en las artes, en la percepción y en la práctica cotidiana-.”

Sin embargo yo, humilde pensador, me decanto por el hecho cierto de que, nuestra especie,  siempre llegó al conocimiento a través de la imaginación y la experiencia primero, a la que más tarde,  acompañó largas secciones de estudio y muchas horas de mediatación y, al final de todo eso, llego la experimentación que hizo posible llegar a lugarés ignotos que antes nunca, habían podido ser visitados. De todo ello, pudieron surgir todos esos “nuevos mundos” que, como la Mecanica Cuántica y la Relatividad, nos describían el propio mundo que nos era desconocido.

Cuando comencé éste trabajo sólo quería dar una simple explicación de los bosones y su intervención en el mundo de lo muy pequeño pero…

      Demócrito de Abdera

No estaría mal echar una mirada hacia atrás en el tiempo y recordar, en este momento, a Demócrito que, con sus postulados, de alguna manera venía a echar un poco de luz sobre el asunto, dado que él decía que  para determinar  si algo era un á-tomo habría que ver si era indivisible. En el modelo de los quarks, el protón, en realidad, un conglomerado pegajoso de tres quarks que se mueven rápidamente. Pero como esos quarks están siempre ineludiblemente encadenados los unos a los otros, experimentalmente el protón aparece indivisible.

Acordémonos aquí de que Boscovich decía que, una partícula elemental, o un “á-tomo”, tiene que ser puntual. Y, desde luego, esa , no la pasaba el protón. El equipo del MIT y el SLAC, con la asesoría de Feynman y Bjorken, cayó en la cuenta de que en este caso el criterio operativo era el de los “puntos” y no el de la indivisibilidad. La traducción de sus a un modelo de constituyentes puntuales requería una sutileza mucho mayor que el experimento de Rutherford.

Precisamente por eso era tan conveniente fue tan conveniente para Richard Edward Taylor y su equipo, tener a dos de los mejores teóricos del mundo en el equipo aportando su ingenio, agudeza e intuición en todas las fases del proceso experimental. El resultado fue que los indicaron, efectivamente, la presencia de objetos puntuales en movimiento dentro del protón.

En 1990 Taylor, Friedman y Kendall recogieron su premio Nobel por haber establecido la realidad de los quarks. Sin embargo, a mí lo que siempre me ha llamado más la atención es el hecho cierto de que, este descubrimiento como otros muchos (el caso del positrón de Dirac, por ejemplo), han posible gracias al ingenio de los teóricos que han sabido vislumbrar cómo era en realidad la Naturaleza.

A todo esto, una buena sería: ¿cómo pudieron ver este tipo de partículas de tamaño infinitesimal, si los quarks no están libres y están confinados -en este caso- dentro del protón?  Hoy, la tiene poco misterio sabiendo lo que sabemos y hasta donde hemos llegado con el LHC que, con sus inmensas energías “desmenuza” un protón hasta dejar desnudos sus más íntimos secretos.

                    Este es, el resultado ahora de la colisión de protones en el LHC

Lo cierto es que, en su momento, la teoría de los Quarks hizo muchos conversos, especialmente a medida que los teóricos que escrutaban los fueron imbuyendo a los quarks una realidad creciente, conociendo mejor sus propiedades y convirtiendo la incapacidad de ver quarks libres en una virtud. La de moda en aquellos momentos era “confinamiento”. Los Quarks están confinados permanentemente porque la energía requerida para separarlos aumenta a medida que la distancia entre ellos crece. Esa es, la fuerza nuclear fuerte que está presente dentro del átomo y que se encarga de transmitir los ocho Gluones que mantienen confinados a los Quarks.

Así, cuando el intento de separar a los Quarks es demasiado intenso, la energía se vuelve lo bastante grande para crear un par de quark-anti-quark, y ya tenemos cuatro quarks, o dos mesones. Es como intentar un cabo de cuerda. Se corta y… ¡ya tenemos dos!

¿Cuerdas? Me parece que estoy confundiendo el principal objetivo de este trabajo y, me quiero situar en el tiempo futuro que va, desde los quarks de Gell-Mann hasta las cuerdas de Veneziano y John Schwarz y más tarde Witten. Esto de la Física, a veces te juega malas pasadas y sus complejos caminos te llevan a confundir conceptos y  momentos que, en realidad, y de manera individualizada, todos han tenido su propio tiempo y lugar.

¿Cuántas veces no habré pensado, en la posibilidad de tomar el elixir de la sabiduría para poder comprenderlo todo? Sin embargo, esa pósima mágica no existe y, si queremos , el único camino que tenemos a nuestro alcance es la observación, el estudio, el experimento… ¡La Ciencia!, que en definitiva, es la única que nos dirá como es, y como se producen los fenómenos que podemos contemplar en la Naturaleza y, si de camino, podemos llegar a saber el por qué de su comportamiento… ¡mucho mejor!

       El camino será largo y, a veces, penoso pero… ¡llegaremos!

Nuestra insaciable curiosidad nos llevará lejos en el saber del “mundo”. llegaremos al corazón mismo de la materia para conmprobar si allí, como algunos imaginan, habitan las cuerdas vibrantes escondidas tan profundamente que no se dejan ver. Sabremos de muchos mundos habitados y podremos hacer ese primer contacto tántas veces soñado con otros seres que, lejos de nuestro región del Sistema solar, también, de manera independiente y con otros nombres, descubrieron la cuántica y la relatividad. Sabremos al fín qué es la Gravedad y por qué no se dejaba juntar con la cuántica. Podremos realizar maravillas que ahora, aunque nuestra imaginación es grande, ni podemos intuir por no tener la información necesaria que requiere la imaginación.

En fín, como decía Hilnert: ¡”Tenemos que saber, sabremos”!

emilio silvera

En física cuántica, la fluctuación cuántica es un cambio temporal en la cantidad de energía en un punto en el espacio como resultado del Principio de Incertidumbre que imaginó Werner Heisenberg. De acuerdo a una formulación de este principio energía y tiempo se relacionan de la siguiente forma:

Esto significa que la conservación de la energía puede parecer violada, pero sólo por breves lapsos. Esto permite la creación de pares partícula-antipartícula de partículas virtuales. El efecto de esas partículas es medible, por ejemplo, en la carga efectiva del electrón, diferente de su carga “desnuda”. En una formulación actual, la energía siempre se conserva, pero los estados propios del Hamiltoniano no son los mismos que los del operador del número de partículas, esto es, si está bien definida la energía del sistema no está bien definido el número de partículas del mismo, y viceversa, ya que estos dos operadores no conmutan.

                                 Las fluctuaciones del vacío entre una esfera y una superficie plana

En un estudio realizado por un equipo de físicos con avanzados aparatos, han hallado un resultado del que nos dicen:

“La materia se construye sobre fundamentos frágiles. Los físicos acaban de confirmar que la materia, aparentemente sustancial, es en realidad nada más que fluctuaciones en el vació cuántico. Los investigadores simularon la frenética actividad que sucede en el interios de los protones y neutrones, que como sabéis son las partículas que aportan casi la totalidad de la masa a la materia común.

Cada protón (o neutrón) se compone de tres quarks – véase ilustración – pero las masas individuales de estos quarks apenas comprenden el 1% del total de la masa del protón ¿Entonces de dónde sale el resto? La teoría sostiene que esta masa es creada por la fuerza que mantiene pegados a los quarks, y que se conoce como fuerza nuclear fuerte.  En términos cuánticos, la fuerza fuerte es contenida por un campo de partículas virtuales llamadas gluones, las cuales irrumpen aleatoriamente en la existencia para desaparecer de nuevo. La energía de estas fluctuaciones del vacío debe sumarse a la masa total del neutrón y del protón.”

 

De ella se conforman galaxias y también, seres vivos

Tiene y encierra tantos misterios la materia que estamos aún y años-luz de y conocer sobre su verdadera naturaleza. Es algo que vemos en sus distintas formas materiales que configuran y conforman todo lo material desde las partículas elementales hasta las montañas y los océanos. Unas veces está en estado “inerte” y otras, se eleva hasta la vida que incluso,  en ocasiones, alcanza la consciencia de SER. Sin embargo, no acabamos de dilucidar de dónde viene su verdadero origen, su esencia,  lo que era antes de “ser” materia. ¿Existe acaso una especie de sustancia cósmica anterior a la materia? Y, si realmente existe esa sustancia… ¿Dónde está?

Claro que hemos llegado a saber que las llamadas fluctuaciones del vacío son oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo de fuerza (electromagnético o gravitatorio) que son debidas a un “tira y afloja” en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada, momentáneamente, energía de regiones adyacentes y luego las devuelven. Pero…

– ¿Qué regiones adyacentes?

Acaso universos paralelos, acaso defomraciones del espacio-tiempo a escalas microscópicas, micros agujeros negros que pasan a ser agujeros blancos salidos de estas regiones o campos de fuerza que no podemos ver pero sí sentir, y, en última instancia, ¿por qué se forman esas partículas virtuales que de inmediato se aniquilan y desaparecen antes de que puedan ser capturadas? ¿Qué sentido tiene todo eso?

Las consecuencias de la existencia del cuanto mínimo de acción fueron revolucionarios para la comprensión del vacío. Mientras la continuidad de la acción clásica suponía un vacío plano, estable y “realmente” vacío, la discontinuidad que supone el cuanto nos dibuja un vacío inestable, en continuo cambio y muy lejos de poder ser considerado plano en las distancias atómicas y menores. El vacío cuántico es de todo menos vacío, en él la energía nunca puede quedar estabilizada en valor cero, está fluctuando sobre ese valor, continuamente se están creando y aniquilando todo tipo de partículas, llamadas por eso virtuales, en las que el producto de su energía por el tiempo de su existencia efímera es menor que el cuanto de acción. Se llaman fluctuaciones cuánticas del vacío y son las responsables de que exista un que lo inunda todo llamado campo de punto cero.

Pero volvamos de nuevo a las fluctuaciones de vacío, que al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo temporalmente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas” del , y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones “vecinas”. Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío, las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

De las llamadas fluctuaciones de vacío pueden surgir, partículas virtuales y quién sabe que cosas más… Hasta un nuevo Universo.

                                  Son muchas  las preguntas que no tienen respuestas

Parece que las fluctiuaciones ocurren en cualquier lugar, pero que, son tan minúsculas que ningún observador o experimentador las ha detectado de una manera franca hasta la fecha y, se sabe que están ahí por experimentos que lo han confirmado. Estas fluctuaciones son más poderosas cuanto menos escala se considera en el espacio y, por debajo de la longitud de Planck-Wheeler las fluctuaciones de vacío son tan enormes que el espacio tal como lo conocemos “pareciera estar hirviendo” para convertirse en una especie de espuma cuántica que parece que en realidad, cubre todo el espacio “vacío cuántico” que sabemos que está ahí y es el campo del que surgen esas partículas virtuales que antes menccionaba.

     ¿Espuma cuántica? Si profundizamos mucho en la materia… Podríamos ver otro universo distinto al nuestro. Las cosas miles de millones de veces más pequeñas que en nuestro mundo cotidiano, no parecen las mismas cosas.

Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler, es la escala de longitud por debajo de la cual el tal como lo conocemos deja de existir y se convierte en espuma cuántica.  El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler o aproximadamente 10^-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2,61×10^-66cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro. ¡Qué locura!

Como tantas veces hemos comentado, los trabajos que se han realizado sobre poder construir una teoría cuántica de la gravedad nos llevan a un 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.

En física como en todas las demás disciplinas científicas, los conocimientos avanzan y las teorías que sostuvieron los cimientos de nuestros conocimientos se van haciendo viejas y van teniendo que ser reforzadas con las nuevas y más poderosas “vigas” de las nuevas ideas y los nuevos hallazgos científicos que hacen posible ir perfeccionando lo que ya teníamos.

Recientemente se han alzado algunas voces contra el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. He podido leer en un artíoculo de la prestigiosa Revista Nature, un artículo del premio Nobel de Física Gerald ´t Hoofft, en el que propone que la naturaleza probabilistica de la mecánica cuántica, desaparecería a la escala de Planck, en la que el comportamiento de la materia sería determinista; a longitudes mayores, energías más pequeñas.

El mundo de lo muy pequeño (el micro espacio), a nivel atómico y subatómico, es el dominio de la física cuántica, así nunca podríamos saber, de acuerdo m con el principio de incertidumbre, y, en un momento determinado, la posición y el estado de una partícula. Este estado podría ser una función de la escala espacio-temporal. A esta escala tamaños todo sucede demasiado deprisa para nosotros.

El “universo cuántico” nada es lo que parece a primera vista, allí entramos en otro mundo que en nada, se parece al nuestro

 Cuando hablamos de la mecánica cuántica, tenemos mirar un poco hacia atrás en el tiempo y podremos darnos del gran impacto que tuvo en el devenir del mundo desde que, en nuestras vidas, apareció el átomo y, más tarde, sus contenidos. Los nombres de Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Bardeen, Roentgen, Dirac y muchos otros, se pudieron a la cabeza de la lista de las personas más famosas. Aquel primer premio Nobel de Física otorgado en 1900 a Roentgen por descubrir los rayos X, en el mismo año llegaría el ¡cuanto! De Planck que inspiró a Einstein para su trabajo sobre el Efecto fotoeléctrico que también, le valdría el Nobel, y, a partir de ese momento, se desencadenó una especie de alucinante por saber sobre el átomo, sus contenidos, y, de qué estaba hecha la materia.

               La conocida como Paradoja EPR y los conceptos de Tiempo y , presente, pasado y futuro.

“Nadie ha resuelto la paradoja del gato de Schroedinger, ni la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen. El principio de incertidumbre no se ha explicado y se asume como un dogma, lo mismo pasa con el spin. El spin no es un giro pero es un giro.  Aquí hay un desafío al pensamiento humano. ¡Aquí hay una aventura del pensamiento!”

Fueron muchas las polémicas desatadas a cuenta de las aparentes incongruencias de la moderna Mecánica Cuántica. La paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen, denominada “Paradoja EPR”, trata de un experimento mental propuesto por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen en 1935. Es relevante, pues pone de manifiesto un problema aparente de la mecánica cuántica, y en las décadas siguientes se dedicaron múltiples esfuerzos a desarrollarla y resolverla.

A Einstein (y a muchos otros científicos), la idea del entrelazamiento cuántico le resultaba extremadamente perturbadora. Esta particular característica de la mecánica cuántica permite preparar estados de dos o más partículas en los cuales es imposible obtener útil sobre el estado total del sistema haciendo sólo mediciones sobre una de las partículas.

Por otro lado, en un entrelazado, manipulando una de las partículas, se puede modificar el estado total. Es decir, operando sobre una de las partículas se puede modificar el estado de la otra a distancia de manera instantánea. Esto habla de una correlación entre las dos partículas que no tiene paralaje en el mundo de nuestras experiencias cotidianas. Cabe enfatizar pues que cuando se mide el estado de una partícula, enseguida sabemos el estado de la otra, lo cual aparentemente es instantáneo, es decir, sin importar las distancias a las que se encuentren las partículas, una de la otra, ambas saben instantáneamente el estado de la otra.

El experimento planteado por EPR consiste en dos partículas que interactuaron en el pasado y que quedan en un estado entrelazado. Dos observadores reciben cada una de las partículas. Si un observador mide el momento de una de ellas, sabe cuál es el momento de la otra. Si mide la posición, gracias al entrelazamiento cuántico y al principio de incertidumbre, puede la posición de la otra partícula de forma instantánea, lo que contradice el sentido común.

Animación que muestra dos átomos de oxígeno fusionándose para formar una molécula de O₂ en su estado cuántico fundamental. Las nubes de color representan los orbitales atómicos. Los orbitales 2s y 2p de cada átomo se combinan para formar los orbitales σ y π de la molécula, que la mantienen unida. Los orbitales 1s, más interiores, no se combinan y permiten distinguir a cada núcleo. Lo que ocurre a escalas tan pequeñas es fascienante.

Si nos pudiéramos convertir en electrones, por ejemplo, sabríamos dónde y cómo estamos en cada momento y podríamos ver asombrados, todo lo que estaba ocurriendo a nuestro alrededor que, entonces sí, veríamos transcurrir a un ritmo más lento del que podemos detectar en los electrones desde nuestro macroestado espacio temporal. El electrón, bajo nuestro punto de vista se mueve alrededor del núcleo atómico a una velocidad de 7 millones de km/h.

A medida que se asciende en la escala de tamaños, hasta el tiempo se va ajustando a esta escala, los objetos, a medida que se hacen mayores se mueven más despacio y, además, tienen más duración que los pequeños objetos infinitesimales del micro mundo cuántico. La vida media de un neutron es de unos 15 minutos, por ejemplo, mientras que la vida media de una estrellas se puede contar en miles de millones de años.

En nuestra macroescala, los acontecimientos y ,los objetos se mueven a velocidades que a nosotros nos parecen normales. Si se mueven con demasiada lentitud nos parece que no se mueven. Así hablamos de escala de tiempo geológico, para referirnos al tiempo y velocidad de la mayor parte de los acontecimientos geológicos que afectan a la Tierra, el tiempo transcurre aquí en millones de años y nosotros ni lo apreciamos; nos parece que todo está inmóvil. Nosotros, los humanos, funcionamos en la escala de años (tiempo biológico).

El Tiempo Cosmológico es aún mucho más dilatado y los objetos cósmicos (mundos, estrellas y galaxias), tienen una mayor duración aunque su movimiento puede ser muy rápido debido a la inmensidad del espacio universal en el que se mueven. La Tierra, por ejemplo, orbita alrededor del Sol a una velocidad media de 30 Km/s., y, el Sol, se desplaza por la Galaxia a una velocidad de 270 km/s. Y, además, se puede incrementar el tiempo y el espacio en su andadura al estar inmersos y ligados en una misma maya elñástica.

Así,  el espacio dentro de un átomo, es muy pequeño; dentro de una célula, es algo mayor; dentro de un animal, mayor aún y así sucesivamente… hasta llegar a los enormes espaciosa que separan las estrellas y las galaxias en el Universo.

Distancias astronómicas separan a las estrellas entre sí, a las galaxias dentro del cúmulo, y a los cúmulos en los supercúmulos.

Las distancias que separan a los objetos del Cosmos se tienen que medir con unidades espaciales, tal es su inmensa magnitud que, nuestras mentes, aunque podamos hablar de ellas de manera cotidiana, en realidad, no han llegado a asimilarlas.Y, a todo ésto, 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 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 iniciales del universo.

Una cosa nos ha podido quedar clara: 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 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.

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 prácticamente imposible armonizar las leyes de la teoría cuántica con la gravedad de la relatividad 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.

Y después de todo ésto, sólo una caso me queda clara: ¡Lo poco que sabemos! A pesar de la mucha imaginación que ponemos en las cosas que creemos conocer.

emilio silvera