El éxito alcanzado por la Física desde finales del siglo XIX hasta esta primera década del siglo XXI no sólo ha transformado nuestra concepción del espacio-tiempo, sino que ha llegado a poner en nuestras mentes una nueva percepción de la Naturaleza: la vieja posición central que asignábamos a la materia ha cedido su lugar a los principios de simetría, algunos de ellos ocultos a la vista en el estado actual del Universo.

Está claro que, los físicos, cada día más ambiciosos en su “querer saber” y su “querer descubrir”, buscan sin descanso nuevos caminos que les lleve a desvelar ocultas maravillas que tienen su hábitat natural en lo más profundo de la Naturaleza misma de la que no sabemos, aún, entender todas sus voces.

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¡La Física! Lo que busca la física fundamental es reducir las leyes de la Naturaleza a una teoría final sencilla que lo explique todo. El físico y premio Nobel Steven Weinberg señala que las reglas fundamentales son lo más satisfactorio (al menos para él). Las leyes básicas de Isaac Newton, que predicen el comportamiento de los planetas, son más satisfactorias, por ejemplo, que un almanaque en el que se indique la posición de todos los planetas en cada momento. Weinberg nos dice que la Física no puede explicarlo todo, matizando que sólo puede explicar los sucesos relacionándolos con otros sucesos y con las reglas existentes.

Por ejemplo, las órbitas de los planetas son el resultado de unas reglas, pero las distancias de los planetas al Sol son accidentales, y no son consecuencia de ley fundamental alguna. Claro que, también las leyes podrían ser fruto de casualidades. Lo que sí es cierto es que los físicos están más interesados por descubrir las reglas que por los sucesos que dichas reglas determinan, y más por los hechos que son independientes del tiempo; por ejemplo, les interesa más la masa del electrón que un tornado que se pueda producir en un lugar determinado.

La ciencia, como nos dice Weinberg, no puede explicarlo todo y, sin embargo, algunos físicos tienen la sensación de que nos estamos acercando a “una explicación del mundo” y, algún día, aunando todos los esfuerzos de muchos, las ideas de las mejores mentes que han sido, y las nuevas que llegarán, podremos, al fín, construir esa Teoría final tan largamente soñada que, para que sea convincente, deberá también, incluirnos a nosotros. Pero, paradogicamente y a pesar de estos pensamientos, existen hechos que los contradicen, por ejemplo, conocemos toda la física fundamental de la molécula de agua desde hace 7 decenas de años, pero todavía no hay nadie que pueda explicar por qué el agua hierve a los 100 ºC. ¿Qué ocurre? ¿Somos acaso demasiado tontos? Bueno, me atrevería a pronosticar que seguiremos siendo “demasiado tontos” incluso cuando los físicos consigan (por fin) esa teoría final que nos pueda dar una “explicación del mundo”. Siempre seguiremos siendo aprendices de la Naturaleza que, sabia ella, nos esconde sus secretos para que persista el misterio.

¿Qué sería de nosotros si lo supiéramos todo?

Lo sabemos todo, nada llama nuestra atención, la curiosidad desaparece y nos embarga el hastío y hasta la depresión. Nuestra condición como especie es querer saber cosas nuevas, buscar respuestas, preguntarnos

La explicación que dan los físicos actualmente  sobre la subestructura de la materia se llama “el modelo estándar”. En este modelo están incluídas las doce partículas elementales y las tres fuerzas que, cuando se mezclan y se encajan, sirven para construir todo lo que hay en el universo, desde un redondo pan de pueblo hecho en un horno de leña,  hasta las más complejas galaxias, y puede explicar todos los mecanismos de acción, es decir, la mecánica del mundo.

Entre las partículas figuran los seis Quarks famosos: arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima. Las otras seis partículas son Leptones: el electrón y sus dos parientes más pesados, el muón y el tau y los tres neutrinos a ellos asociados. Las tres fuerzas son la electromagnética, la fuerza nuclear fuerte (que mantiene unidos a los quarks) y la fuerza nuclear débil (responsable de la radioactividasd). Hay una cuarta fuerza: la Gravedad que, aunque tan importante como las demás, nadie ha sabido como encajarla en el modelo estándar. Todas las partículas y fuerzas de este modelo son cuánticas; es decir, siguen las reglas de la mecánica cuántica. Aún no existe una teoría de la gravedad cuántica.

En realidad, la región que denominamos Gravedad cuántica nos lleva y comprende preguntas sobre el origen del universo observable que nadie ha sabido contestar. Nos lleva a complejos procesos cuánticos situados en las épocas más cercanas imaginables en un espacio-tiempo clásico, es decir, en lo que se conoce como Tiempo de Planck a 10^-43 segundos del supuesto big bang, cuando reinaba una temperatura del orden de 10 x 10³¹ K. Pero, como hemos dicho, al no existir una teoría autoconsistente de la Gravedad cuántica, lo único que podemos hacer (como en tantas otras áreas de la Ciencia)  es especular.

El Modelo Estándar no es, ni mucho menos, satisfactorio. Los científicos piensan que no sólo es incompleto, sino que es demasiado complicado y, desde hace mucho tiempo, buscan, incansables, otro modelo más sencillo y completo que explique mejor las cosas y que, además, no tenga (como tiene el modelo actual) una veintena de parámetros aleatorios y necesarios para que cuadren las cuentas…, un ejemplo: el bosón de Higgs necesario para dar masa a las partículas.

¡La masa! ese gran problema. Todas las partículas tienen masa diferentes pero nadie sabe de donde salen sus valores. No existe fórmula alguna que diga, por ejemplo,  que el quark extraño debería pesar el doble (o lo que sea) del quark arriba, o que el electrón deba tener 1/200 (u otra proporción) de la masa del muón. Las masas son de todo tipo y es preciso “ponerlas a mano”, como se suele decir: cada una ha de ser medida experimental e individualmente. En realidad, ¿por qué han de tener masa las partículas? ¿de dónde viene la masa?

No puedo evitarlo ni tampoco me puedo quedar callado, cuando he asistido a alguna conferencia sobre la materia y, el ponente de turno se agarra a la “materia oscura” para justificar lo que no sabe, si al final hay debate, entro en escena para discutir sobre la existencia de esa “materia fantasma” que quiere tapar nuestra enorme ignorancia.

Pero, sigamos con el problema de la masa. Para resolverlo, muchos expertos en física de partículas creen actualmente en algo que llaman “campo de Higgs”. Se trata de un campo misterioso, invisible y etéreo que está permeando todo el espacio (¿habrán vuelto al antiguo éter pero cambiándole el nombre?). Hace que la materia parezca pesada, como cuando tratamos de correr por el fondo de la piscina llena de agua pero que el agua no se pudiera ver. Si pudiéramos encontrar ese campo, o más bien la partícula la partícula que se cree es la manifestación de ese campo (llamada el bosón de Higgs), avanzaríamos un largo trecho hacia el conocimiento del universo.

Aquí, en este imponente artilugio inventiva de nuestras mentes, se quiere dar respuesta a una serie de interrogantes que se espera solucionar con este experimento:

• Qué es la masa.
• El origen de la masa de las partículas
• El origen de la masa para los bariones.
• El número exacto de partículas del átomo.

Claro que, si no fuera tan largo de contar, os diría que, en realidad, el Campo de Higgs se descubrió hace ya muchos siglos en la antigua India, con el nombre de maya, que sugiere la idea de un velo de ilusión para dar peso a los objetos del mundo material. Pocos conocen que, los hindúes fueron los que más se acercaron a las ideas modernas sobre el átomo, la física cuántica y otras teorías actuales. Ellos desarrollaron muy temprano sólidas teorías atomistas sobre la materia. Posiblemente, el pensamiento atomista griega recibió las influencias del pensamiento de los hindúes a través de las civilizaciones persas. El Rig-Veda, que data de alguna fecha situada entre el 2000 y el 1500 a. C., es el primer texto hindú en el que se exponen unas ideas que pueden considerarse leyes naturales universales. La ley cósmica está relacionada con la luz cósmica.

Anteriores a los primeros Upanishads tenemos en la India la creación de los Vedas, visiones poéticas y espirituales en las que la imaginación humana ve la Naturaleza y la expresa en creación poética, y después va avanzando hacia unidades más intensamente reales que espirituales hasta llegar al Brahmán único de los Upanishads.

Hacia la época de Buda (500 a, C.), los Upanishad, escritos durante un período de varios siglos, mencionaban el concepto  de svabhava, definido como “la naturaleza inherente de los distintos materiales”; es decir, su eficacia causal única, , tal como la combustión en el caso del fuego, o el hecho de fluir hacia abajo en el caso dela agua. El pensador Jainí Bunaratna nos dijo: “Todo lo que existe ha llegado a existir por acción de la svabhava. Así… la tierra se transforma en una vasija y no en paño… A partir de los hilos se produce el paño y no la vasija”.

También aquellos pensadores, manejaron el concepto de yadrccha, o azar desde tiempos muy remotos. Implicaba la falta de orden y la aleatoriedad de la causalidad. Ambos conceptos se sumaron a la afirmación del griego Demócrito medio siglo más tarde: “Todo lo que hay en el universo es fruto del azar y la necesidad”. El ejemplo que que dio Demócrito -similar al de los hilos del paño- fue que, toda la materia que existe, está formada por a-tomos o átomos.

Bueno, no lo puedo evitar, mi imaginación se desboca y corre rápida por los diversos pensamientos que por la mente pasan, de uno se traslada a otros y, al final, todo resulta un conglomerado de ideas que, en realidad, quieren explicar, dentro de esa diversidad, la misma cosa.

emilio silvera

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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 sabéis, 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.

Junto a esas cuatro fuerzas fundamentales que intervienen en la dinámica de nuestro Universo para que sea el que podemos observar, también, existen una serie de constantes que persisten en el Tiempo y nunca cambian, como sería el caso de la gravitación universal, la velocidad de la luz en el vacío, la carga del electrón o la masa del protón, si alguna de esas constantes variara, aunque sólo fuese una diez millonésima… ¡La Vida no estaría presente en este Universo!

El momento de Planck es la unidad de momento, denotada por  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.

“La física, o mecánica cuántica, estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas que empiezan a notarse extraños efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula o simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula.

Los principios básicos de la física cuántica son fundamentalmente dos. El primero es que las partículas intercambian energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, es el llamado quantum de energía. El segundo es que la posición teórica de las partículas está dada por una función probabilística, es decir que no es una certeza sino más bien una posibilidad.”

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 Relatividad General y acudir a la Mecánica Cuántica”… 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.

… espaciotiempo a pequeña escala descrito por una red de espines, por cuerdas vibrantes o de otro modo? De momento, la descripción cuántica de la gravedad …

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.

Si amplía el espacio-tiempo hasta sus más pequeñas escalas, podría ser como mirar las burbujas espumosas de la materia en sus más infinitesimales componentes.

 

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.

Hemos sido incapaces (hasta el momento) de juntar lo muy grande con lo muy pequeño en una sóla ecuación, es decir, la Relatividad de las Galaxias y la Cuántica de los átomos. Precisamente por eso, la Gravedad no se deja incluir en el Modelo Estándar de la Física de Partículas. Cuando tratan de juntarlas… ¡Aparecen los infinitos que no se dejan renormalizar!

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^-30cm (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 fermi (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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Ylia Prigogine ¡Qué personaje!

El Universo y la Vida… ¡Nuestra imaginación!

En su Libro Partículas, Gerard ´t Hofft, Premio Nobel de Física, nos cuenta:

“En el mundo de los seres vivos, la escala o tamaño crea importantes diferencias. En muchos aspectos, la anatomía de un ratón es una copia de la de un elefante, pero mientras que un ratón trepar por una pared prácticamente vertical sin mucha dificultad (y se puede caer desde una altura varias veces mayor que su propio tamaño sin hacerse daño), un elefante no sería capaz de realizar tal hazaña. Con bastante generalidad se puede afirmar que los efectos de la gravedad son menos importantes cuanto menores sean los objetos que consideremos (sean vivos o inanimados).”

 

Cuando llegamos a los seres unicelulares, se ve que ellos no hay distinción entre arriba y abajo. Para ellos, la tensión superficial del agua es mucho más importante que la fuerza de la gravedad a esa escala. Tranquilamente se pueden mover y desplazar por encima de una superficie acuática. Los pluricelulares no pueden hacer tal cosa.

La tensión superficial es una consecuencia de que todas las moléculas y los átomos se atraen unos a otros con una fuerza que nosotros llamamos de Van der Waals. fuerza tiene un alcance muy corto; para ser precisos, diremos que la intensidad de esta fuerza a una distancia r es aproximadamente 1/r⁷. Esto significa que si se reduce la distancia dos átomos a la mitad de la fuerza de Van der Waals con la que se atraen uno a otro se hace 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 128 veces más intensa. Cuando los átomos y las moléculas se acercan mucho unos a otros quedan unidos muy fuertemente a través de esta fuerza. El conocimiento de esta fuerza se debe a Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923) con su tesis sobre la continuidad del líquido y gaseoso que le haría famoso, ya que en esa época (1873), la existencia de las moléculas y los átomos no estaba completamente aceptado.

La tensión superficial del agua, es el efecto físico (energía de atracción entre las moléculas) que “endurece” la capa superficial del agua en reposo y permite a algunos insectos, como el mosquito y otros desplazarse por la superficie del agua sin hundirse.

El famoso físico inglés James Clerk Maxwell, que formuló la teoría del electromagnetismo de Faraday, quedó muy impresionado por este de Van der Waals.

Los tamaños de los seres uniceculares, animales y vegetales, se miden en micrómetros o “micras”, donde 1 micra es 1/1.000 de milímetro, aproximadamente el tamaño de los detalles más pequeños que se pueden observar con un microscopio ordinario. El mundo de los microbios es fascinante, pero no es el objeto de este trabajo, y continuaremos el viaje emprendido las partículas elementales que forman núcleos, átomos, células y materia, así como las fuerzas que intervienen en las interacciones fundamentales del universo y que afecta a todo lo que existe.

Hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). La importancia del electrón es vital en el universo.

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º bajo cero). Cuando a 1.000º C un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Radiación de Cuerpo Negro

Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su , el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862.

La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = h?, donde E es la energía del paquete, ? es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: él sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia ? de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, esto lo veremos más adelante.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger descubrió cómo escribir la teoría ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de ondas cuánticas”.

Está bien comprobado que la mecánica cuántica funciona de maravilla…, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente estas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro todo el mundo qué significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posición bien definida des espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades en el tiempo.

“4 de abril 2016. Un equipo internacional de investigadores han encontrado pruebas de un nuevo y misterioso estado de la materia, predicho hace 40 años, en un material real. Este estado, conocido como estado líquido cuántico de espín, hace que los electrones se dividan en pedazos.” ¿Cuántos secretos más esconde la Naturaleza?

Pero los electrones todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se puede determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

Niels Bohr consiguió responder a esta pregunta de tal que con su explicación se pudo seguir trabajando, y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica.

Si la mecánica cuántica tiene cosas extrañas y el espín es una de ellas. Y si uno piensa que la intuición le ayudará a comprender todo esto, pues no lo hará, o es poco probable que lo haga. Las partículas tienen un espín fundamental. Al igual que la carga eléctrica o la masa, el espín ayuda a definir que de partícula es cada una.

Las leyes de la mecánica cuántica han sido establecidas con mucha precisión; permite cómo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha precisión, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posición con precisión, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una partícula tiene espín (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual está rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

La posición y el momento de una partícula nunca lo podremos saber con precisión ilimitada.

No es fácil explicar de forma sencilla de dónde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y compararla, por ejemplo, con un diapasón que debe vibrar también durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.

Para que las reglas de la mecánica cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando más grande y más pesado es un objeto, más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica. Me gustaría referirme a exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por holismo, y que podría definir como “el todo es más que la suma de sus partes”. Si la física nos ha enseñado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (partículas); basta que sepamos sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo, la constante de Planck, h, que es igual a 6’626075… × 10^-34 Julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal.

La mecánica cuántica es muy extraña a nuestro “sentido común”, sabemos que se desenvuelve en ese “universo” de lo muy pequeño, alejado de nuestra vida cotidiana en el macrocosmos tetradimensional que, no siempre coincide con lo que, en aquel otro infinitesimal acontece.

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisemberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros como Erwin Schrödinger siempre presentaron serias objeciones a interpretación. Quizá funcione bien, pero ¿dónde está exactamente el electrón?, ¿en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿dónde está en realidad?, y ¿cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

Es cierto que, existe otro universo dentro de nuestro del que, aún, nos queda mucho por aprender.

La ecuación de función de onda de Schrödinger resultó ser muyu importante para la física

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicción consiste en dos factores: el primer factor es un cálculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estadística e incontrolable definida matemáticamente de estricta. Las partículas seguirán una distribución de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la ecuación de Schrödinger de función de onda (?) que, con muchas probabilidades nos indicará el lugar probable donde se encuentra una partícula en un lugar dado.

Muchos estiman que esta teoría de las probabilidades desaparecerá cuando se consiga la teoría que explique, de forma completa, todas las fuerzas; la buscada teoría del todo, lo que implica que nuestra descripción actual incluye variables y fuerzas que (aún) no conocemos o no entendemos. Esta interpretación se conoce como hipótesis de las variables ocultas.”

También Gerard ’t Hooft es el autor de lo que han dado en llamar l principio holográfico es una conjetura especulativa acerca de las teorías de la Gravedad Cuántica propuesta en 1993 por este autor, y mejorada y promovida por Leonard Susskin en 1995. Postula que toda la información contenida en cierto volumen de un espacio concreto se puede conocer a partir de la información codificable sobre la frontera de dicha región. Una importante consecuencia es que la cantidad máxima de información que puede contener una determinada región de espacio rodeada por una superficie diferenciable está limitada por el área total de dicha superficie.

“Posiblemente esta propuesta se habría quedado como una más del conjunto de ideas alocadas que emiten los físicos teóricos últimamente, de no ser porque en 1997 el físico argentino Juan Maldacena encontró un modelo matemático, denominado correspondencia AdS/CFT [12], que se ajusta al principio holográfico. Se trata de un espacio denominado Anti-de Sitter, (que sería el análogo espacio-temporal al espacio hiperbólico y que no tiene nada que ver con nuestro universo), cuya física gravitatoria realmente está codificada en la frontera en una teoría cuántica de campos que posee una dimensión menos y donde no hay interacción gravitatoria.”

Por ejemplo, se pueden modelar todos los eventos que ocurran en un cuarto o una habitación creando una teoría en la que sólo tome en cuenta lo que suceda en sus paredes. En el principio holográfico también se afirma que por cada cuatro Unidades de Planck existe al menos un grado de libertad (o una unidad constante de Bolttzmann k de máxima entropía). Esto se conoce como frontera de Bekenstein:

donde S es la entropía y A es la unidad de mensura considerada. En unidades convencionales la fórmula anterior se escribe:

donde:

• , es la constante de Boltzmann. 
  
• , es la vecolcidad de la luz. 
  
• , es la constante gravitacional universal.
  
• , es la constante de Planck racionalizada.
• , es la longitud de Planck.

Claro que esta… ¡Es otra Historia!

emilio silvera

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Adentrarse en el universo de las partículas que componen los elementos de la Tabla Periódica, y en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico”. Esos pequeños objetos que no podemos ver, de dimensiones infinitesimales, son, en definitiva, los componentes de todo lo que contemplamos a nuestro alrededor: Las montañas, ríos, Bosques, océanos, los más exoticos animales y,  nosotros mismos, estamos hechos de Quarks y Leptones que, en nuestro caso, han podido evolucionar hasta llegar…¡A los pensamientos!

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