La partícula emitida por un núcleo radiactivo, por lo general lleva una considerable cantidad de energía. Y, ¿de dónde procede esa energía? Es el resultado de la conversión en energía de una pequeña parte del núcleo (E = mc²); en otras palabras, el núcleo siempre pierde un poco de masa en el acto de expeler la partícula.

Los físicos se vieron durante mucho tiempo turbados por el hecho de que, a menudo, la partícula beta emitida en una desintegración del núcleo no alberga energía suficiente para compensar la masa perdida por el núcleo. En realidad, los electrones no eran igualmente deficitarios. Emergían con un amplio espectro de energías, y el máximo (corregido por muy pocos electrones) era casi correcto, pero todos los demás no llegaban a alcanzarlo en mayor o menos grado. Las partículas alfa emitidas por un nucleido particular poseían iguales energías en cantidades inesperadas. En ese caso, ¿qué era erróneo en la emisión de partículas beta?, ¿qué había sucedido con la energía perdida?

En 1.922, Lise Maitner se hizo por primera vez esta pregunta, y hacia 1.936 Niels Bohr estaba dispuesto a abandonar el gran principio de conservación de la energía, al menos en lo concerniente a partículas subatómicas. En 1.931 Wolfgang Pauli sugirió una solución para el enigma de la energía desaparecida. Tal solución era muy simple: junto con la partícula beta del núcleo se desprendía otra, que se llevaba la energía desaparecida. Esa misteriosa segunda partícula tenía propiedades bastante extrañas; no poseía carga ni masa. Lo único que llevaba mientras se movía a la velocidad de la luz era cierta cantidad de energía. A decir verdad, aquello parecía un cuerpo ficticio creado exclusivamente para equilibrar el contraste de energías.

Habitualmente aceptamos que la física es la ciencia que estudia la estructura y propiedades de la materia y la energía, las formas de existencia de las mismas en el espacio y el tiempo, así como las leyes de rigen sus interacciones. En este definición no hay limitaciones precisas entre la naturaleza viviente e inanimada, y aunque ello no implica la reducción de todas las ciencias a la física, se deduce que las bases teóricas finales de cualquier dominio de las ciencias naturales tienen una naturaleza física.

Pero, sigamos…

Sin embargo, tan pronto como se propuso la posibilidad de su existencia, los físicos creyeron en ella ciegamente. Y esta certeza se incrementó al descubrirse el neutrón y al saberse que se desintegraba en un protón y liberaba un electrón que, como en la decadencia beta, portaba insuficientes cantidades de energía. Enrico Fermi dio a esta partícula putativa el nombre de neutrino, palabra italiana que significa “pequeño neutro”.

El neutrón dio a los físicos otra prueba palpable de la existencia del neutrino. Como ya he comentado en otra página de este trabajo, casi todas las partículas describen un movimiento rotatorio. Esta rotación se expresa, más o menos, en múltiplos de una mitad, según la dirección del giro. Ahora bien, el protón, el neutrón y el electrón tienen rotación de una mitad. Por tanto, si el neutrón con rotación de una mitad origina un protón y un electrón, cada uno con rotación de una mitad, ¿qué sucede con la ley sobre conservación del momento angular? Aquí hay algún error. El protón y el electrón totalizan una mitad con sus rotaciones (si ambas rotaciones siguen la misma dirección) o cero (si sus rotaciones son opuestas); pero sus rotaciones no pueden sumar jamás una mitad. Sin embargo, por otra parte, el neutrino viene a solventar la cuestión. Supongamos que la rotación del neutrón sea +½, y admitamos también que la rotación del protón sea +½ y la del electrón -½, para dar un resultado neto de cero. Demos ahora al neutrino una rotación de +½ y la balanza quedará desequilibrada.

+½ (n) = +½ (p) – ½ (e) + ½ (neutrino)

En otras palabras, la existencia de neutrinos y antineutrinos debería salvar no una, sino tres, importantes leyes de conservación: la conservación de la energía, la de conservación del espín y la de conservación de partícula/antipartícula.

Pero aún queda algo por desequilibrar. Una sola partícula (el neutrón) ha formado dos partículas (el protón y el electrón), y si incluimos el neutrino, tres partículas. Parece más razonable suponer que el neutrón se convierte en dos partículas y una antipartícula. En otras palabras: lo que realmente necesitamos equilibrar no es un neutrino, sino un antineutrino.

El propio neutrino surgiría de la conversión de un protón en un neutrón. Así pues, los productos serían un neutrón (partícula), un positrón (antipartícula) y un neutrino (partícula). Esto también equilibra la balanza.

Impresionante vista de la Vía Láctea desde el Manua Kea. La Galaxia, el Universo…Todo es energía.

Es importante conservar esas leyes puesto que parece estar presentes en toda clase de relaciones nucleares que no impliques electrones o positrones, y sería muy útil si también se hallasen presentes en reacciones que incluyesen esas partículas. Las más importantes conversiones protón-neutrón son las relacionadas con las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol y en los astros. Por consiguiente, las estrellas emiten radiaciones rápidas de neutrinos, y se calcula que tal vez pierdan a causa de esto el 6 u 8% de su energía. Pero eso sería meternos en otra historia y, por mi parte, con la anterior explicación sólo trataba de dar una muestra del ingenio del hombre que, como habréis visto, no es poco.

Desde que puedo recordar, he sido un amante de la física. Me asombran cuestiones como la luz, su naturaleza de un conglomerado de colores, ondas y partículas, su velocidad que nos marca el límite del máximo que podemos correr en nuestro universo, y en fin, muchos otros misterios que encierra esa cosa tan cotidiana que nos rodea y lo inunda todo haciendo posible que podamos ver por donde vamos, que las plantas vivan y emitan oxígeno o que nos calentemos. Realmente, sin luz, nuestra vida no sería posible. Entonces, ¿qué es realmente la luz?

Muchos (casi todos) opinan que es algo inmaterial. Los objetos materiales grandes o muy pequeños como las galaxias o los electrones, son materia. La luz, sin embargo, se cree que es inmaterial; dos rayos de luz se cruzan sin afectarse el uno al otro. Sin embargo, yo, que desde luego no soy un experto, opino en cambio que la luz es simplemente una forma de energía lumínica, otra forma en la que se puede presentar la materia. Nosotros mismos, en última instancia, somos luz.

Está claro que los estudiosos de la época antigua y medieval estaban por completo a oscuras acerca de la naturaleza de la luz. Especulaban sobre que consistía en partículas emitidas por objetos relucientes o tal vez por el mismo ojo. Establecieron el hecho de que la luz viajaba en línea recta, que se reflejaba en un espejo con un ángulo igual a aquel con el que el rayo choca con el espejo, y que un rayo de luz se inclina (se refracta) cuando pasa del aire al cristal, al agua o a cualquier otra sustancia transparente.

Cuando la luz entra en un cristal o en alguna sustancia transparente, de una forma oblicua (es decir, en un ángulo respecto de la vertical), siempre se refracta en una dirección que forma un ángulo menor respecto de la vertical. La exacta relación entre el ángulo original y el ángulo reflejado fue elaborada por primera vez en 1.621 por el físico neerlandés Willerbrord Snell. No publicó sus hallazgos y el filósofo francés René Descartes descubrió la ley, independientemente, en 1.637.

¿Nos suplirán un día? Seguro que en el futuro, serán otros los que hagan experimentos con la luz y busquen su verdadera naturaleza

Los primeros experimentos importantes acerca de la naturaleza de la luz fueron llevados a cabo por Isaac Newton en 1.666, al permitir que un rayo de luz entrase en una habitación oscura a través de una grieta de las persianas, cayendo oblicuamente sobre una cara de un prisma de cristal triangular. El rayo se refracta cuando entra en el cristal y se refracta aún más en la misma dirección cuando sale por una segunda cara del prisma (las dos refracciones en la misma dirección se originan porque los lados del prisma se encuentran en ángulo en vez de en forma paralela, como sería el caso de una lámina ordinaria de cristal).

Newton dedujo  que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores.  La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa “espectro” fantasma).

Newton atrapó el rayo emergente sobre una pantalla blanca para ver el efecto de la refracción reforzada. Descubrió que, en vez de formar una mancha de luz blanca, el rayo se extendía en una gama de colores: rojo, anaranjado, amarillo verde, azul y violeta, en este orden. Newton dedujo de ello que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores. La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa espectro o fantasma). Newton llegó a la conclusión de que la luz se componía de diminutas partículas (“corpúsculos”), que viajaban a enormes velocidades. Le surgieron y se planteó algunas inquietantes cuestiones: ¿por qué se refractaban las partículas de luz verde más que las de luz amarilla? ¿Cómo se explicaba que dos rayos de luz se cruzaran sin perturbarse mutuamente, es decir, sin que se produjeran colisiones entre partículas?

En 1.678, el físico neerlandés Christian Huyghens (un científico polifacético que había construido el primer reloj de péndulo y realizado importantes trabajos astronómicos) propuso una teoría opuesta: la de que la luz se componía de minúsculas ondas. Y si sus componentes fueran ondas, no sería difícil explicar las diversas difracciones de los diferentes tipos de luz a través de un medio refractante, siempre y cuando se aceptara que la luz se movía más despacio en ese medio refractante que en el aire. La cantidad de refracción variaría con la longitud de las ondas: cuanto más corta fuese tal longitud, tanto mayor sería la refracción. Ello significaba que la luz violeta (la más sensible a este fenómeno) debía de tener una longitud de onda más corta que la luz azul; ésta, más corta que la verde, y así sucesivamente.

Lo que permitía al ojo distinguir los colores eran esas diferencias entre longitudes de onda. Y como es natural, si la luz estaba integrada por ondas, dos rayos podrían cruzarse sin dificultad alguna (las ondas sonoras y las del agua se cruzan continuamente sin perder sus respectivas identidades).

Pero la teoría de Huyghens sobre las ondas tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos luminosos, ni por qué proyectaban sombras recortadas, ni aclaraba por qué las ondas luminosas no podían rodear los obstáculos, del mismo modo que pueden hacerlo las ondas sonoras y de agua. Por añadidura, se objetaba que si la luz consistía en ondas, ¿cómo podía viajar por el vacío, ya que cruzaba el espacio desde el Sol y las estrellas? ¿Cuál era esa mecánica ondulatoria?

Con el éxito de Newton de su ley de la Gravitación Universal, no es extraño que afirmara de forma tajante que la luz es corpuscular. Newton se opuso violentamente a la naturaleza ondulatoria de la luz, ya que no veía cómo se podía explicar con ella la propagación rectilínea de la misma. Por otro lado estaba Christian Huygens, 13 años mayor que Newton que defendía la naturaleza ondulatoria con algunas ventajas.

 

Ambas teorías explicaban perfectamente la reflexión y refracción de la luz. Pero diferían en una cosa. La teoría corpuscular afirmaba que las partículas de luz se acelerarían al pasar por un material de mayor densidad óptica y las ondas a menor. Esto no era comprobable por aquella época. Debido a la influencia de Newton y a la poca habilidad de Huygens para desarrollarla matemáticamente, la teoría ondulatoria quedó descartada durante un siglo.

Aproximadamente durante un siglo, contendieron entre sí estas teorías. La teoría corpuscular de Newton fue, con mucho, la más popular, en parte porque la respaldó el famoso nombre de su autor. Pero hacia 1.801, un físico y médico inglés, de nombre Thomas Young, llevó a cabo un experimento que arrastró la opinión pública al campo opuesto. Proyectó un fino rayo luminoso sobre una pantalla, haciéndolo pasar antes por dos orificios casi juntos; si la luz estuviera compuesta por partículas, cuando los dos rayos emergieran de ambos orificios, formarían presuntamente en la pantalla una región más luminosa donde se superpusieran, y regiones menos brillantes, donde no se diera tal superposición. La pantalla mostró una serie de bandas luminosas, separadas entre sí por bandas oscuras; pareció incluso que en esos intervalos de sombra, la luz de ambos rayos contribuía a intensificar la oscuridad.

Sería fácil explicarlo mediante la teoría ondulatoria; la banda luminosa representaba el refuerzo prestado por las ondas de un rayo a las ondas del otro, dicho de otra manera, entraban “en fase” dos trenes de ondas, es decir, ambos nodos, al unirse, se fortalecían el uno al otro. Por otra parte, las bandas oscuras representaban puntos en los que las ondas estaban “desfasadas” porque el vientre de una neutralizaba el nodo de la otra. En vez de aunar sus fuerzas, las ondas se interferían mutuamente, reduciendo la energía luminosa neta a las proximidades del punto cero.

Considerando la anchura de las bandas y la distancia entre los dos orificios por lo que surgen ambos rayos, se pudo calcular la longitud de las ondas luminosas, por ejemplo, de la luz roja a la violeta o de los colores intermedios. Las longitudes de onda resultaron ser muy pequeñas. Así, la de la luz roja era de unos 0’000075 cm. Hoy se  expresan las longitudes de las ondas luminosas mediante una unidad muy práctica ideada por Ángstrom; esta unidad, denominada igualmente Ángstrom (Å) en honor a su autor, es la cienmillonésima parte de un centímetro. Así pues, la longitud de onda de la luz roja equivale más o menos a 7.500 Å, y la de la luz violeta a 3.900 Å, mientras que las de colores visibles en el espectro oscilan entre ambas cifras.

La cortedad de estas ondas es muy importante. La razón de que las ondas luminosas se desplacen en línea recta y proyecten sombras recortadas se debe a que todas son incomparablemente más pequeñas que cualquier objeto; pueden contornear un obstáculo sólo si este no es mucho mayor que la longitud de onda. Hasta las bacterias, por ejemplo, tienen un volumen muy superior al de una onda luminosa, y por tanto, la luz puede definir claramente sus contornos bajo el microscopio. Sólo los objetos cuyas dimensiones se asemejan a la longitud de onda luminosa (por ejemplo, los virus y otras partículas subatómicas) son lo suficientemente pequeños como para que puedan ser contorneados por las ondas luminosas.

Un físico francés, Agustin-Jean Fresnel, fue quien demostró por vez primera en 1.818 que si un objeto es lo suficientemente pequeño, la onda luminosa lo contorneará sin dificultad. En tal caso, la luz determina el llamado fenómeno de “difracción”. Por ejemplo, las finísimas líneas paralelas de una “reja de difracción” actúan como una serie de minúsculos obstáculos, que se refuerzan entre sí. Puesto que la magnitud de la difracción va asociada a la longitud de onda, se produce el espectro. A la inversa, se puede calcular la longitud de onda midiendo la difracción de cualquier color o porción del espectro, así como la separación de las marcas sobre el cristal.

La mano del Universo juguetea con unos puntos luminosos que quieren llegar a ser cegadores…Son nuestras Mentes, productos de la evolución del Universo que, a partir de la materia inerte, ha podido alcanzar el estadio bio-químico de la consciencia y, al ser conscientes, hemos podido descubrir que existen “números misteriosos” dentro de los cuales subyacen mensajes que tenemos que desvelar.

Fraunhofer exploró dicha reja de difracción con objeto de averiguar sus finalidades prácticas, progreso que suele olvidarse, pues queda eclipsado por su descubrimiento más famoso, los rayos espectrales. El físico americano Henry Augustus Rowland ideó la reja cóncava y desarrolló técnicas para regularlas de acuerdo con 20.000 líneas por pulgada. Ello hizo posible la sustitución del prisma por el espectroscópio.

Ante tales hallazgos experimentales, más el desarrollo metódico y matemático del movimiento ondulatorio, debido a Fresnel, pareció que la teoría ondulatoria de la luz había arraigado definitivamente, desplazando y relegando para siempre a la teoría corpuscular.

No sólo se aceptó la existencia de ondas luminosas, sino que también se midió su longitud con una precisión cada vez mayor. Hacia 1.827, el físico francés Jacques Babinet sugirió que se empleara la longitud de onda luminosa (una cantidad física inalcanzable) como unidad para medir tales longitudes, en vez de las muy diversas unidades ideadas y empleadas por el hombre. Sin embargo, tal sugerencia no se llevó a la práctica hasta 1.880 cuando el físico germano-americano Albert Abraham Michelson inventó un instrumento denominado “interferómetro”, que podía medir las longitudes de ondas luminosas con una exactitud sin precedentes. En 1.893, Michelson midió la onda de la raya roja en el espectro del cadmio y determinó que su longitud era de 1/1.553.164 m.

Pero la incertidumbre reapareció al descubrirse que los elementos estaban compuestos por isótopos diferentes, cada uno de los cuales aportaba una raya cuya longitud de inda difería ligeramente de las restantes. En la década de 1.930 se midieron las rayas del criptón 86. Como quiera que este isótopo fuera gaseoso, se podía abordar con bajas temperaturas, para frenar el movimiento atómico y reducir el consecutivo engrosamiento de la raya.

En 1.960, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la raya del criptón 86 como unidad fundamental de la longitud. Entonces se reestableció la longitud del metro como 1.650.763’73 veces la longitud de onda de dicha raya espectral. Ello aumentó mil veces la precisión de las medidas de longitud. Hasta entonces se había medido el antiguo metro patrón con un margen de error equivalente a una millonésima, mientras que en lo sucesivo se pudo medir la longitud de onda con un margen de error equivalente a una milmillonésima.

emilio silvera

Está claro que aquí trataremos sobre la física y la naturaleza de la materia que, por lo menos yo, no tengo muy claro que sea “inerte”, ya que la vida, tal como la conocemos, sin lugar a ninguna duda proviene de esa mal llamada materia inerte que, en su momento y mediante unos procesos y circunstancias muy especiales, en presencia de agua, elementos diversos que como un caldo primordial fueron bombardeados por los rayos cósmicos provenientes del espacio exterior, dio lugar a esa primera célula que nos trajo millones de años después a nosotros, los humanos.

Los físicos utilizando tecnologías avanzadas y muy poderosas, han investigado y experimentado creando en los laboratorios y aceleradores de partículas las iniciales condiciones del Big Bang, mediante la fórmula de hacer chocar haces de protones (u otras partículas) que circulando a velocidades cercanas a la de la luz, hacen aparecer otras partículas más exóticas que están escondidas en el interior de los núcleos atómicos. De los escombros de esas colisiones sacan y obtienen datos de esos nuevos componentes de la materia; así han ido confeccionando la lista, cada vez más larga, de las familias de partículas elementales, unas más elementales que otras.

Siguiendo el camino marcado por J. J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr y James Chadwick, se continuó indagando en la estructura interna del modelo atómico descubierto por ellos y que nos hicieron ver que, lejos de ser el material constitutivo más elemental, los átomos están formados por un núcleo que contiene protones y neutrones, rodeados por un enjambre de electrones que describen órbitas a su alrededor.

Durante cierto tiempo muchos físicos pensaron que los protones, los neutrones y los electrones eran los átomos de Demócrito que, como sabemos hace ahora más de 2.000 años, intuyó que la materia estaba compuesta de infinitesimales partículas a las que dio ese nombre y que el creía que eran invisibles e indivisibles.

El experimento en el Stanford Linear Accelerator Center de tecnología avanzada, exploró las entrañas de la materia y se pudo comprobar que los protones y neutrones no eran partículas fundamentales; demostraron que cada una de ellas estaban constituidas por partículas menores que, más tarde, Murray Gell-Mann, llamó quarks y que en esa primera fase se limitaron a dos formas o tipos, los denominados up (arriba) y los de nombre down (abajo), que se conformaban en tripletes para crear un protón: uud – dos quarks up y un quark down -, mientras que el neutrón estaba compuesto por ddu – dos quarks down y un quark up -.

Todo lo que vemos en la tierra o en el cielo resulta estar hecho de electrones que son leptones y de quarks que forman los nucleones, partículas que pertenecen a la familia de los hadrones: bariones y mesones. Toda la materia que podemos observar es bariónica; la otra, esa que se nos escapa, es la materia oscura de la que se hablará más adelante.

Según las energías de las que en este momento podemos disponer, no tenemos los medios técnicos ni energéticos para profundizar más y comprobar si existen partículas aún más pequeñas que los quarks. Existen teorías que postulan la existencia de filamentos o cuerdas vibrantes, que son cien mil veces menores que los quarks, muy masivas, que pudieran ser los componentes finales y más pequeños de la materia del universo, los ladrillos fundamentales de todo lo que existe. Está por ver, y a lo largo de éste trabajo trataré de explicar y profundizar en esta interesante teoría del todo que pretende, nada más y nada menos que unificar todas las fuerzas de la naturaleza, o lo que es lo mismo, unir la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad general, algo hasta el momento imposible.

A mediados de la década de los 50, Frederick Reines y Clyde Cowan encontraron pruebas experimentales concluyentes de la existencia de un cuarto tipo de partícula fundamental, llamada neutrino, de cuya existencia ya hizo vaticinio y predijo el físico Wolfgang Pauli a principios de la década de 1.930. Al tener poca o masa nula, son muy difíciles de encontrar; recorren el espacio a la velocidad de la luz y su inconsistencia les permite atravesar fácilmente incluso un hipotético muro de miles de kilómetros de plomo sin que en su movimiento se produzca el menor efecto. De hecho, nuestro planeta y nosotros mismos somos atravesados por cientos de miles de neutrinos provenientes del Sol, sin que nos cause daño alguno.

Se pudo descubrir que los neutrinos son de tres tipos; electrónico (asociado al electrón, muónico (asociado al muón) y tauónico (asociado a la partícula tau). Todos, los seis, son los que forman la familia de los leptones.

Ahora, con el moderno LHC, y, sobre todo con la potencia descomunal de 14 TeV, estamos a la caza del Bosón de Higgs y, nuestra pretensión es la de ir mucho más allá hasta poder dar caza a las cuerdas vibrantes en la décima dimensión donde reside la teoría cuántica de la Gravedad.

emilio silvera

En el mundo cuántico se pueden contemplar cosas más extrañas

Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler, = 1’62 × 10^-33 cm, es la escala de longitud por debajo de la cual es espacio, 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^-66 cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

De todas las maneras, en este momento sabemos tanto de la espuma cuántica como de nuestra presencia en el Universo, es decir, nada. Todo son conjeturas, suposiciones e hipótesis que nos hacen imaginar lo que pueda existir a la distancia de Planck. Claro que  en una longitud de 10^-35 metros, sí que es fácil imaginar que lo que podamos ver allí sería simplemete una especie de espuma cuántica asociada a lo que estimamos que sería la gravedad cuántica.

Como nos dicen en este anuncio del Kybalion, nada es estático en el Universo y, todo está en continuo movimiento o vibración. Habreis oido hablar de la energía de punto cero que permanerce en una sustancia en el cero absoluto (cero K). Está de acuerdo con la teoría cuántica, según la cual, una partícula oscilando con un movimiento armónico simple no tiene estado estacionario de energía cinética nula. Es más, el Principio de Incertidumbre no permite que esta partícula esté en reposo en el punto central exacto de sus oscilaciones. Del vacío surgen sin cesar partículas virtuales que desaparecen en fracciones de segundo, y, ya conoceis, por ejemplo, el Efecto Casimir en el que dos placas pueden producir energía negativa surgidas del vacío.

Efecto Casimir

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío; esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (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 la devuelven.

                    Algunos han postulado que el Universo pudo surgir de una fluctuación del vacío que rasgó el espacio tiempo de otro universo

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas. En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor infinita. En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10^-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10^-2 – 10^-7 pascales. Por debajo de 10^-7 pascales se conoce como un vacío ultraalto. No puedo dejar de referirme al vacío theta (vacío θ), que es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs). En el vacío theta hay un número infinito de estados degenerados con efecto túnel entre estos estados. Esto significa que el vacío theta es análogo a una función de Bloch* en un cristal. Cuando hay un fermión sin masa, el efecto túnel entre estados queda completamente suprimido. Cuando hay campos fermiónicos con masa pequeña, el efecto túnel es mucho menor que para campos gauge puros, pero no está completamente suprimido. El vacío theta es el punto de partida para comprender el estado de vacío de las teoría gauge fuertemente interaccionantes, como la cromodinámica cuántica.

En astronomía, el vacío está referido a regiones del espacio con menos contenido de galaxias que el promedio, o ninguna galaxia. También solemos llamarlo vacío cósmico. Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del universo en escalas de hasta 200 millones de años luz en exploraciones a gran escala. Estas regiones son, a menudo (aunque no siempre), esféricas.

El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de años luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no sorprende a la comunidad de astrónomos y cosmólogos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes. Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que está demasiado lleno, hasta el punto de que su contenido nos manda mensajes que, aunque lo hemos captado, no lo sabemos descifrar.

Sabemos referirnos al producto o cociente de las unidades físicas básicas, elevadas a las potencias adecuadas, en una cantidad física derivada. Las cantidades físicas básicas de un sistema mecánico son habitualmente la masa (m), la longitud (l) y el tiempo (t). Utilizando estas dimensiones, la velocidad, que es una unidad física derivada, tendrá dimensiones l/t, y la aceleración tendrá dimensiones l/t². Como la fuerza es el producto de una masa por una aceleración, la fuerza tiene dimensiones mlt^-2. En electricidad, en unidades SI, la corriente, I, puede ser considerada como dimensionalmente independiente, y las dimensiones de las demás unidades eléctricas se pueden calcular a partir de las relaciones estándar. La carga, por ejemplo, se puede definir como el producto de la corriente por el tiempo; por tanto, tiene dimensión It. La diferencia de potencia está dad por la relación P = VI, donde P es la potencia. Como la potencia es la fuerza por la distancia entre el tiempo (mlt^-2 × l × t^-1 = ml²t^-3), el voltaje V está dado por V = ml²t^-3I^-1. Así queda expresado lo que en física se entiende por dimensiones, referido al producto o cociente de las cantidades físicas básicas.

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 espacio, 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.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas regiones vecinas de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? Sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que los movimientos de degeneración claustrofóbicos son para los electrones. Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de neutrones mantiene estable a la estrella de neutrones, que obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo la estrella.

La degeneración de los electrones impide que la gravedad continúe comprimiendo a una estrella como el Sol que, al final de su vida, y, agotado el combustible nuclear de fusión, se convierte en Gigante roja para después quedar a merced de la Gravedad que la comprimirá más y más, la presión hará que eyecte las capas exteriores al espacio y fiorme una Nebulosa planetaria de 1 año luz de diámetro, el resto de la masa de la estrella continúa siendo comprimida por la gravedad hasta que los electrones se degeneran y, “protestan” porque no quieren estar tan juntos (son fermiones), y, es la fuerza de esa degeneración la única que frena la implosión de la estrella y queda convertida en una enana blanca que, en el centro de la nueva Nebulosa radia con fuerza hasta que, pasado el tiempo, se enfría y se muestra como el cadaver estelar que es.

De manera similar ocurre cuando la estrella es más masiva que nuestro Sol. Entonces, llegado el final de su vida y quedando a merced de la fuerza de Gravedad, ésta trata de comprimir la masa estelar al máximo. Hasta tal punto la comprime que los protones y electrones se  fusionan para convertirse en neutrones que, al verde tan comprimidos “protestan” y se degeneran para hacer frente a la interacción gravitatoria y poder frenarla, quedando así como una estrella de neutrones estable.

De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito. Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles. Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto). Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”. Si la energía es masa y la masa produce gravedad, entonces ¿qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

Hace tiempo que sabemos (desde 1.905) que la energía es masa, así nos lo dije Einstein y así se desprende de L/V² que podríamos expresar como m = E/c². Si despejamos la energía, adquiere una forma más familiar y presagiosa: E = mc²

Decir lo que pueda haber en ese “espacio vacío, no será nada fácil, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y sólo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a las que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del universo, que no se corresponde en absoluto con la masa y la energía que podemos ver.

Hay que seguir atando cabos sueltos, uniendo piezas y buscando algunas que están perdidas de tal manera que,  ahora mismo, por mucho que miremos, nunca podremos ver. El lugar de dichas piezas perdidas no está en nuestro horizonte y se esconde más allá de nuestra percepción sensorial. ¿Nos dirá algo más de todo esto la teoría de cuerdas?

¡Quién sabe! Quizá sea el LHC el que, con sus resultados, nos pueda dar una respuesta de lo que realmente existe en ese mal llamado vacío y que, según parece, está lleno a rebosar. Sí, pero ¿de qué está lleno? Ya veremos. De momento, pararece que han aparecido los primeros indicios de la existencia del Higgs, ese Bosón que le da la masa a las partículas y que, seguramente, será presentado al público en los primeros meses del próxímo 2012 que, en lugar de ser el Año en que se “destruye el mundo” como dicen algunos (los mayas no decían eso), lo que sí será es un año de muchas y buenas noticias en el ámbito de la Ciencia.

Estamos en un momento crucial de la física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad, que también está implícita en la teoría M. Estamos anclados; necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas virtuales que atan nuestras mentes a ideas del pasado. En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión. Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aun estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo el hiperespacio, de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad. Cuando sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy no sabemos resolver.

emilio silvera

Orbitales de Hidrógeno

La mecánica cuántica establece que un electrón no existe como un único punto, sino que se extiende alrededor del núcleo en una nube se conoce como un orbita … Las esferas azuladas de la imagen que parecen inmersas en una nube muestran dos modelos orbitales de los electrones de un átomo de carbono … unas estructuras que ya habíamos visto en las ilustraciones de miles de libros de química …, pero ahora se trata de imágenes reales …

Estructura interna de una molécula de pentaceno, de 1,4 nanómetros de longitud. Abajo, modelo de la misma (los átomos grises son de carbono y los blancos de hidrógeno).- IBM

¡El Átomo! La parte más pequeña de un elemento.

Modelo planetario del átomo

Todo el mundo conoce la imagen del átomo formada por varios electrones dando vueltas a un núcleo como planetas orbitando alrededor del Sol. Esta figura la creó en 1904 un físico japonés llamado Hantaro Nagaoka y aunque constituye la percepción más común del átomo, está equivocada.

Según la mecánica cuántica, las partículas elementales tienen una apariencia un tanto borrosa. Los electrones se parecen más bien a aspas de un ventilador que gira. Es decir, el electrón no ocupa una órbita definida, sino una nube o zona del espacio donde existe la probabilidad de encontrarlos.

El descubrimiento de Chadwick del neutrón en 1.932 completó el modelo atómico basado en el núcleo atómico consistente en protones y neutrones rodeados de un número suficiente de electrones como para equilibrar la carga nuclear. Sin embargo, no explicaba la gran estabilidad del núcleo, que claramente no podía mantenerse unido por una interacción electromagnética, pues el neutrón no tiene carga eléctrica.En 1.935, Yukawa sugirió que la fuerza de intercambio que lo mantenía junto estaba mediada por partículas de vida corta, llamadas mesones, que saltaban de un protón a un neutrón y hacia atrás de nuevo. Este concepto dio lugar al descubrimiento de las interacciones fuertes y de las interacciones débiles, dando un total de cuatro interacciones fundamentales.

El núcleo atómico, la verdadera materia, es sólo el 99,99%del átomo, el resto son espacios vacíos.

También dio lugar al descubrimiento de unas 200 partículas “elementales” de vida corta, algunas de las cuales eran claramente más elementales que las otras. En la clasificación actual existen dos clases principales de partículas que interaccionan con la interacción fuerte y tienen una estructura interna compleja.

La estructura hadrónica está basada ahora en el concepto de quarks de Murray Gell-Mann, introducido en 1.964. Este modelo nos dice que los hadrones están divididos en bariones (que se desintegran en protones) y mesones, que se desintegran en leptones y fotones.

De las estructuras atómicas unidas pasamos a las estructuras moleculares.

Los bariones están formados por tres quarks y los mesones por dos quarks (un quark y un antiquark). En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas elementales realmente, son los leptones y los quarks. Al contrario que los electrones y protones, que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto pero de signos opuestos (positiva el protón y negativa el electrón), los quark tienen cargas que son fracciones de la carga electrónica (+ 2/3 ó -1/3 de la carga electrónica).

Las colisiones electrón-positrón producen numerosos tipos de partículas que se desintegran según diferentes modos de cadena.

Los quarks aparecen en seis variedades distintas que generalmente se escriben mediante las letras u, d, c, s, t y b que responden a los nombres de up, down, charmed, strange, top y bottom.

El protón, siendo un barión, está constituido por tres quarks, uud (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1) y el neutrón por udd (2/3 – 1/3 -1/3 = 0), para cada variedad de quark existen los equivalentes antiquarks, que tienen valores exactos al quark pero con signos opuestos en su carga eléctrica.

No todos los físicos están aún convencidos de la existencia de los Quarks. Sin embargo, en los experimentos realizados al más alto nivel en los modernos aceleradores, parece que las señales recibidas sobre su real existencia son inequívocas.

Para evitar conflictos con el principio de exclusión de Pauli, se han añadido conceptos de carga de color a las seis variedades de quarks, cuya explicación al resultar compleja obviamos por no ser fundamental en la meta que aquí perseguimos.

Las interacciones fuertes entre quarks se pueden entender por el intercambio de ocho partículas sin carga y sin masa en reposo, llamadas gluones (porque pegan a los quarks juntos). Aunque los gluones, como los fotones que realizan una función similar entre los leptones, no tienen carga eléctrica, sí que tienen una carga de color (también aquí nos paramos para no enredar demasiado y confundir al lector).

Podemos imaginar a los Quarks, confinados dentro de los protones y neutrones nadando en una sopa de Gluones. La fuerza nuclear fuerte es la más potente de todas las interacciones fundamentales y hace que, al contrario de las otras fuerzas, la distancia entre quarks la aumente. Es como un mueblle de acero que cuando más se estira más resistencia opone.

La teoría quark completamente elaborada esta ahora bien establecida por evidencias experimentales, pero como ni los quarks ni los gluones han sido identificados nunca en experimentos, la teoría no se puede decir que haya sido directamente verificada. Los quarks individuales pueden tener la curiosa propiedad de ser mucho más masivos que los hadrones que usualmente forman (debido a la enorme energía potencial que tendrían cuando se separan), y algunos teóricos creen que es, en consecuencia, imposible desde un punto de vista fundamental, que existan aislados. Sin embargo, algunos experimentales han anunciado resultados consistentes con la presencia de cargas fraccionarias, que tendrían los quarks no ligados y en estados libres.

Lo que resulta de la teoría conocida como cromodinámica cuántica es que en la propiedad de libertad asintótica obliga a que las interacciones entre los quarks se hagan más débiles a medida que la distancia entre ellos se hace menor y tienda a cero. De forma inversa, la atracción entre quarks es mayor a medida que la distancia entre ellos es mayor y la hipótesis del confinamiento de los quarks obliga a que estos no puedan escapar uno del otro; lo impiden los gluones, los bosones intermediarios de la fuerza nuclear fuerte que es la única fuerza que crece con la distancia, al contrario que las otras fuerzas que con el alejamiento se debilitan. Es posible que a muy altas temperaturas, como las existentes en el universo primitivo, los quarks pudieran estar libres. Esta temperatura a la que esto ocurre es conocida como temperatura de desconfinamiento.

A muy altas temperaturas, como al principio del Universo, podría ser posible “ver” a los Quarks en libertad, antes de que se unieran para formar protones y neutrones.

Es necesario que ahora se explique aquí lo que son las interacciones, o fuerzas fundamentales:

Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar en una teoría o modelo a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Antes, cuando hablamos de la relatividad general, ya se adelantó el concepto de la fuerza gravitatoria, unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética. Es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa. Es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan. Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del universo juntos. De hecho, sin esta fuerza no existiría el Sistema Solar ni las galaxias, y seguramente, nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clásica de la gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

Por el momento, no hay una teoría cuántica de la interacción gravitatoria satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas pueda dar una teoría cuántica de la gravitación consistente, además de unificar la gravedad con los demás interacciones fundamentales sin que surjan los dichosos e indeseados infinitos.

La interacción débil, que es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción y electromagnética, ocurre entre leptones y en la desintegración de los hadrones. Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos. En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios, que para esta fuerza son las partículas W⁺, W^- y Z⁰.Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

La teoría electrodébil es una teoría gauge de éxito que fue propuesta en 1.967 por Steven Weinberg y Abdus Salam, conocida como modelo WS.También Sheldon Glashow, propuso otra similar.

Cuando descomponemos la materia hasta sus más profundos componentes, aparecen nuevas partículas que nos facilitan conocer mucho mejor, el mundo que nos rodea y los componentesdel Universo en su más infinitesimal representación.

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

El electromagnetismo está presente en todas partes.

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

El núcleo atómico es la parte central de un átomo tiene carga positiva, y concentra más del 99.99% de la masa total del átomo. Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) que coexisten en el núcleo atómico venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang-Mills. Esta diferencia explica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil que unifica la fuerza débil con la electromagnética. En el caso de la gravedad cuántica, el grupo gauge es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gauge, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

El físico Enrico Fermi, refiriéndose al gran número de partículas existentes, dijo: “Si tuviera que saber el nombre de todas las partículas, me habría hecho botánico.“

emilio silvera

La Relatividad General tuvo una evolución normal y lógica, postula el principio de equivalencia y luego formuló este principio físico en matemáticas de una teoría de campos de Faraday y el Tensor Métrico de Riemann. Después llegaron las soluciones clásicas como los Agujeros Negros y el Big Bang.

Contrariamente, la teoría de supercuerdas ha estado evolucionando hacia atrás desde su descubrimiento accidental en 1.968. Esta es la razón de que nos parezca extraña y poco familiar, estamos aún buscando un principio físico subyacente, la contrapartida del principio de equivalencia de Einstein.

La teoría nació casi por casualidad en 1.968 cuando dos jóvenes físicos teóricos, Gabriel Veneziano y Mahiko Suzuki, estaban hojeando independientemente libros de matemáticas, figurense ustedes que, estaban buscando funciones matemáticas que describieran las interacciones de partículas fuertemente interactivas.

Mientras estudiaban en el CERN, el Centro Europeo de Física Teórica en Ginebra, Suiza, tropezaron independientemente con la función beta de Euler, una función matemática desarrollada en el S. XIX por el matemático Leonhard Euler. Se quedaron sorprendidos al descubrir que la función beta de Euler ajustaba casi todas las propiedades requeridas para describir interacciones fuertes de partículas elementales.

               Vista aérea del CERN

Según he leido, durante un almuerzo en el Lawrence Berkeley Laboratory en California, con una espectacular vista del Sol brillando sobre el puerto de San Francisco, Suzuki le explicó a Michio Kaku, mientras almorzaban la excitación de descubrir, prácticamente por casualidad, un resultado parcialmente importante. No se suponía que la física se pudiera hacer de ese modo casual.

Tras el descubrimiento, Suzuki, muy excitado, mostró el hallazgo a un físico veterano del CERN. Tras oir a Suzuki, el físico veterano no sé impresionó. De hecho, le dijo a Suzuki que otro físico joven (Veneziano) había descubierto la misma función unas semanas antes. Disuadió a Suzuki de publicar su resultado. Hoy, esta función beta se conoce con el nombre de modelo Veneziano, que ha inspirado miles de artículos de investigación iniciando una importante escuela de física y actualmente pretende unificar todas las leyes de la física.

En 1.970, el Modelo de Veneziano – Suzuki ( que contenía un misterio ), fue parcialmente explicado cuando Yoichiro Nambu, de la Universidad de Chicago, y Tetsuo Goto, de la Nihon University, descubrieron que UNA CUERDA VIBRANTE yace detrás de sus maravillosas propiedades.

Así que, como la teoría de cuerdas fue descubierta hacia atrás y por casualidad, los físicos aún no conocen el principio físico que subyace en la teoría de cuerdas vibrantes y sus maravillosas propiedades.

El último paso en la evolución de la teoría de cuerdas (y el primer paso en la evolución de la relatividad general ) aún está pendiente de que alguien, sea capaz de darlo.

¿Esto puede ser una cuerda? Para poder explicarlo, antes habría que esperar que se inventaran las matemáticas necesarias para ello, toda vez que, según parece, ésta teoría está algo adelantada a su tiempo, y, ni se deja verificar mediante la experimentación ni procedimiento alguno que en física, pueda considerarse válido para que, “esa cuerda” se pueda considerar teoría. Así que la dejaremos en la categoría de hipótesis avanzada y de mucho porvenir.

Así, Witten dice:

“Los seres humanos en el planeta tierra nunca dispusieron del marco conceptual que les llevara a concebir la teoría de supercuerdas de manera intencionada, surgió por razones del azar, por un feliz accidente. Por sus propios méritos, los físicos del siglo XX no deberían haber tenido el privilegio de estudiar esta teoría muy avanzada a su tiempo y a su conocimiento. No tenían (ni tenemos ahora mismo) los conocimientos y los prerrequisitos necesarios para desarrollar dicha teoría, no tenemos los conceptos correctos y necesarios.“

Actualmente, como ha quedado dicho en estos trabajos que venimos presentando, Edwar Witten, es el físico teórico que, al frente de un equipo de físicos de Princeton, lleva la bandera de la teoría de supercuerdas con aportaciones muy importantes en el desarrollo de la misma.

De todas las maneras, aunque los resultados y avances son prometedores, el camino por andar es largo y la teoría de supercuerdas en su conjunto, es un edificio con muchas puertas cerradas de las que no tenemos las llaves para acceder a su interior y mirar lo que allí nos aguarda.

El problema está en que nadie es lo suficientemente inteligente para resolver la teoría de campos de cuerdas o cualquier otro enfoque no perturbativo de esta teoría. Se requieren técnicas que están actualmente más allá de nuestras capacidades.

Para encontrar la solución, deben ser empleados técnicas no perturbativas, que son terriblemente difíciles. Puesto que el 99 por ciento de lo que conocemos sobre física de altas energías se basa en la teoría de perturbaciones, esto significa que estamos totalmente perdidos a la hora de encontrar la verdadera solución de la teoría:

¿ Por qué diez dimensiones ? ¿Por qué once? y, otras ¿Por qué 26?

Uno de los secretos más profundos de la teoría de cuerdas, que aún no es bien comprendido, es por qué está definida solo en diez , once y veintiséis dimensiones. De todas las maneras, como nos dice Michiu Kaku, ese Físico que mira hacia el futuro, habría que tener presente las funciones modulares del Ramanujan para ver sí, dentro de ellas, están las respuestas de esas preguntas que, por ahora, nadie ha sabido contestar.

Gran parte de este trabajo es original del libro Hiperespacio de Michio Kaku, y, desde luego, como él nos anuncia, la Física tiene muchas de las respuestas que buscamos, sin embargo, también como nos dice la misma Física, algunas veces esas respuestas están situadas en la parte más simple de lo que estamos estudiando y, sin embargo, nos empeñamos en ahondar, de manera innecesaria hacia lo más profundo e incomprensible para buscar lo que tenemos delante de nuestras propias narices.

Si el límite de todas las teorías están marcados por las unidades de Planck, ya sabemos hasta dónde podemos llegar y, desde luego, la verificación de la Teoría de cuerdas, si como dicen los expertos necesita de la energía de Planck (10¹⁹ GeV) para ser verificada, entonces, nos queda mucho que esperar porque, ¿cuándo podrán tener los humanos esa energía a su disposición?

Con eso pasa lo mismo que ocurre con la velocidad de la luz, si pensamos visitar otras estrellas con naves espaciales…vamos dados, toda vez que, ya nos dice la Relatividad Especial que la luz, es el muro infranqueable, nada en nuestro Universo la puede superar y, a medida que la nave se acerque a esa velocidad, su masa irá en aumento y llegará a un límite insostenible, infinito (El argumento energético tiene como base la más famosa ecuación de la Física E = mc² – E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz). La masa m es una cantidad que aumenta con la velocidad v de la forma a m = m_o (1 – v²/c²)^- ½, siendo m_o la masa en reposo del objeto (nave, etc.). Esto deja claro que incluso aproximarse a la velocidad de la luz, c, requiere cantidades inmensas de energía, al mismo tiempo que los objetos, a medida que se acerquen a dicho límite, esa energía la absorben en forma de masa. Ahí tenemos a los muones que, lanzados a velocidades cercanas a la de la luz en el CERN, han llegado a tener una masa diez veces superior a la suya.

Si eso es así, ¿qué podemos hacer para solventar esos graves problemas? Por una parte tenemos que avanzar en las teorías, y, es verdad que para no quedarnos parados necesitamos ¡ya! una teoría cuántica de la Gravedad que nos explique cuestiones que ahora no tienen respuestas, y, por otro lado (aunque todavía tarde un poco), nuestro Sol tiene una vida limitada, y, pensando que podamos llegar hasta ese final, en que se convierta en gigante roja y enana blanca, sabemos que, para entonces, nosotros no podemos seguir aquí, los océanos de la Tierra serán calcinados y nosotros, los seres humanos, debemos buscar otro aposento, otro habitat, otro mundo. Sin embargo, superar la velocidad de la luz se nos hace algo cuesta arriba. ¿Qué podremos hacer?

Precisamente por esas incognitas que están en nuestro horizonte futuro, debemos continuar tratando de buscar las soluciones a esos, al parecer, insolubles problemas que, según creo, sí que podremos solucionar si tenemos tiempo por delante y somos, nosotros mismos, los que nos encargamos de que, nuestro tiempo se acabe.

Las Teorías pueden ser magnificas en su momento y durante un tiempo (Einstein, Planck, etc.), pero sabemos que, nada perdura por mla eternidad y  lo que hoy es, mañana resulta ser de manera distinta, más avanzada y profunda que viene a rectificar (en parte) la desviación de aquella primera teoría. Cada vez se afina más en el conocimiento de la Naturaleza y, en ella, amigos míos, están todas las respuestas que, con tanta ansiedad buscamos.

Hablamos de la Gravedad sin conocerla en profundidad, no sabemos en realidad que es la Mecánica cuántica, si se tercia, no tenemos ningún problema en hablar de las fluctuaciones de vacío o de universos paralelos, incluso, hay físicos que nos hablan de que todo el universo está permeado por una sustancia en la que nada el Bosón de Higgs. ¿Quién sabe? incluso pueden llevar razón. Sin embargo, mejor sería que hablaran con propiedad, que dijeran cuando hablan: “creo que…” y, de esa manera, sin dar nada por sentado, se puede imaginar, se puede expresar los pensamientos y contar a los otros lo que cada cual pueda estar viendo. Así nacen las buenas teorías, en la imaginación de mentes bien entrenadas que, como las de Einstein, tienen la posibilidad de ver algo más allá que los demás.

Sí, finalmente, será nuestra imaginación la que nos saque de los muchos atolladeros que en el futuro nos esperan. Somos una especie que, gracias a su inmensa imaginación, puede repentizar soluciones a problemas inesperados, y, tal cosa, no es fácil de adquirir, se tiene o no se tiene y nosotros, la tenemos.

Por cierto, ¿no es curioso que, cuando los Físicos especializados se ponen a desarrollar las matemáticas de la Teoría de cuerdas, como por arte de magia, sin que nadie las llame, allí aparecen las ecuaciones de campo de la Relatividad General de Einstein? ¿Qué significa eso? ¿Acaso la teoría de Einstein subyace en la Teoría de cuerdas?

Bueno, podría ser un buen indicio de que la Teoría de Cuerdas está en el buen camino.

emilio silvera

 

Aquel trabajo de sólo ocho páginas que escribió Max Planck y se publicó en 1.900, lo cambió todo. El mismo Planck se dio cuenta de que, todo lo que él había tenido por cierto durante cuarenta años, se derrumbaba con ese trabajo suyo que, venía a decirnos que el mundo de la materia y la nergía estaba hecho a partir de lo que el llamaba “cuantos”.

Supuso el nacimiento de la Mecánica Cuántica (MC), el fin del determinismo clásico y el comienzo de una nueva física, la Física Moderna, de la que la Cuántica sería uno de sus tres pilares junto con la Relatividad y la Teoría del Caos. Más tarde, ha aparecido otra teoría más moderna aún por comprobar, las cuerdas…

El universo según la teoría de las cuerdas sería entonces una completa extensa polícroma SINFONIA ETERNA de vibraciones, un multiverso infinito de esferas, cada una de ellas un universo independiente causalmente, en una de esas esferas nuestra vía láctea, en ella nuestro sistema solar, en él nuestro planeta, el planeta tierra en el cual por una secuencia milagrosa de hechos se dió origen a la vida autoconsciente que nos permite preguntarnos del cómo y del por qué.

Claro que, cuando nos adentramos en ese minúsculo “mundo” de lo muy pequeño, las cosas difieren y se apartan de lo que nos dicta el sentido común que, por otra parte, es posible que sea el menos común de los sentidos. Nos dejamos guiar por lo que observamos, por ese mundo macroscópico que nos rodea y, no somos consciente de ese otro “mundo” que está ahí formando parte del universo y que, de una manera muy importante incide en el mundo de lo grande, sin lo que allí existe, no podría existir lo que existe aquí.

 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 para 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 el hombre/mujer, siempre llegó al conocimiento a través de la imaginación a la que acompañaba largas secciones de estudio y muchas horas de mediatación y, de todo ello, surgían esos nuevos mundos que, como la Mecanica Cuántica y la Relatividad, nos describían el propio mundo que antes nos era desconocido.

La Mecánica cuántica venía a describir otro mundo que, se alejaba del conocido y cotidiano mundo del día a día. Nosotros conocemos el comportamiento de los objetos macroscópicos, de todo lo que vemos continuamente a nuestro alrededor pero, se nos escapa ese otro extraño mundo que, en el ámbito de lo muy pequeño, también está ahí y, cuando nos acercamos a “su mundo” podemos comprobar que las cosas más extrañas ocurren allí.

ARTHUR HOLLY COMPTON (1892-1962)

Por ejemplo, el fenómeno, observado en 1923 por Arthur Holly Compton, mientras realizaba investigaciones sobre la difusión de los rayos X, sólo puede explicarse a partir de los principios de la mecánica cuántica.

Así, si se considera que la radiación electromagnética está constituida por cuantos de energía llamados fotones, en su interacción con la materia puede absorberse parte de estos fotones. En tal caso, la energía global de la radiación disminuiría, y también su frecuencia, con lo que aumentaría la longitud de onda.

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Longitud de onda de Compton

El efecto Compton puede cuantificarse dentro del marco teórico ofrecido por Planck y Einstein acerca de la energía electromagnética. Considerando que la masa de los cuantos de esta radiación (fotones) es Ef = hn, que también se puede escribir como Ef = w, siendo = h / 2p, el momento lineal de cada fotón viene definido por:

Veamos  que otras cosas ocurren…

a) Rompe con las concepciones clásicas sobre trayectoria, determinismo, continuidad de la energía, distinción entre ondas y partículas, etc.

El fotón es una manifestación de las ondas electromagnéticas empaquetadas formando una partícula, la cual se define como “campo cuántico”, es decir, un campo que toma la forma de partícula.Con masa en reposo nula y que consiste en un cuanto de radiación electromagnética. Es considerado como una unidad de energía igual a hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la radiación en hertzios. Viajan a la velocidad de la luz. Son necesarios para explicar el efecto fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula. Por otra parte y en otros contextos, su comportamiento puede ser el de onda.

b) Únicamente es válida -y por tanto aplicable- cuando el sistema tiene el tamaño del átomo o inferior. En este caso las leyes clásicas no se cumplen, y hay que sustituirlas por las de la física cuántica.

A diferencia de la relatividad, esta sustitución supone una ruptura drástica con la Física Clásica.

c) La MC es una labor de equipo, en la que intervino en sus principios el mismo Albert Einstein. Por el contrario la Relatividad es una obra casi exclusiva de un solo hombre que, supo aunar pensamientos dispersos y unirlos a los propios para conformar la bella teoría.

De los muchos científicos que participaron en la construcción de la MC, en los primeros treinta años del siglo XX, cabe destacar desde A. Einstein y N. Bohr hasta E. Fermi y P. Dirac, sin olvidarnos de Bose ni del príncipe L. de De Broglie.

Todos ellos, a pesar de sus diferencias teóricas, utilizaron la constante h de Planck y la medida discreta en la que, según ella, existe el mundo microscópico.

El espectro de radiación (o intensidad para la longitud de onda) al que llegó Max Planck tiene una forma característica así:

                                                            Los Físicos designan este espectro con el nombre de Radiación de Cuerpo Negro.

La MC es, sin duda alguna, la teoría que más polémica y discusiones ha suscitado y suscita en la historia de la Física.

En primer lugar porque sus fundamentos e interpretaciones físicas, dado lo revolucionario de sus afirmaciones, siguen estando cuestionadas por algunos físicos. De hecho ya lo estuvo desde el mismo Einstein.

Y en segundo lugar porque sus conclusiones y predicciones, son todo un ataque al sentido común de la mayoría de las personas. Incluidos los propios científicos.

Sin embargo la MC es la teoría física que con más precisión, el hombre ha comprobado que se cumpla. Ninguna otra como ella ha conseguido esa precisión tan extrema.

Modelo Mecánico-Cuántico del átomo

Quienes sentaron las bases del nuevo modelo mecanico cúantico (después de Planck y Einstein) fueron tres científicos:

a) En 1924, Louis de Broglie, postuló que los electrones tenían un comportamiento dual de onda y partícula. Cualquier partícula que tiene masa y que se mueve a cierta velocidad, también se comporta como onda.

b) En 1927, Werner Heisenberg, sugiere que es imposible conocer con exactitud la posición, el momento y la energía de un electrón. A esto se le llama “principio de incertidumbre”

c) En 1927, Erwin Schrödinger, establece una ecuación matemática que al ser resuelta permite obtener una función de onda (psi cuadrado) llamada orbital. Esta describe probabilisticamente el comportamiento de un electrón en el átomo. Esta función es llamada densidad electrónica e indica la probabilidad de encontrar un electrón cerca del núcleo. La probabilidad es mayor mientras más cercana al núcleo y menor si nos alejamos del núcleo. Con esta teoría de Schrödinger queda establecido que los electrones no giran en orbitas alrededor del núcleo como el modelo de Bohr, sino en volumenes alrededor del núcleo.

LA FUNCION DE ONDA DE SCHRÖDINGER

Tomando la idea de De Broglie acerca de la misteriosa onda piloto que transportaba los electrones alrededor del átomo y la llevó un paso más allá. Sostuvo que el electrón en realidad era una onda de energía que vibraba tan rápido que parecía una nube alrededor del átomo. Una onda de pura energía con forma de nube. Lo que es más, elaboró una nueva y poderosa ecuación que describía completamente esa onda y el conjunto del átomo en términos de la física tradicional.

Esta ecuación se llama, hoy en día, la Ecuación de onda de Schrödinger. Es increíblemente poderosa. Y su característica principal es que muestra una nueva cantidad llamada la función de onda (Ψ) que según Schrödinger describe completamente el comportamiento del mundo subatómico.

La ecuación de Schrödinger y la imagen del átomo que describía, creada durante unas vacaciones cargadas de sexualidad en los Alpes suizos, permitió una vez más que los científicos pudieran imaginar el átomo en términos simples. Es difícil estimar el alivio que la idea de Schrödinger produjo en la comunidad de la física tradicional. Aunque extraña, su imagen del átomo era, al menos, una imagen y los científicos aman las imágenes. Ellos le permitieron el uso de su intuición.

Pero todavía quedaba un fastidioso problema, uno que los radicales creyeron que Schrödinger no podría resolver. Su nueva teoría todavía no podía explicar los extraños saltos cuánticos instantáneos de Bohr. Llegó el momento de que los radicales golpearan de nuevo.

En el verano de ese mismo año, un protegido de Niels Bohr, Werner Heisenberg, viajaba a una oscura isla frente a la costa norte de Alemania. Era ferozmente competitivo y tomó las ideas de Schrödinger como una afrenta personal.

El creyó firmemente que la rareza de los saltos cuánticos instantáneos eran realmente la clave para la comprensión del átomo. Pensaba que el átomo era tan único e inusual, que no debería ser descrito, usando una simple analogía, como una onda o una órbita, o incluso como un edificio de varios pisos. A su juicio, había llegado el momento de abandonar cualquier imagen del átomo.

De ahí salió el Principio de Indeterminación o Incertidumbre que caracteriza a la Mecánica cuántica y que nos lleva al hecho cierto de que nunca, en ese mundo, lo podremos saber todo al mismo tiempo.

Hay dos proposiciones básicas dadas en física cuántica que son los fundamentos sobre los cuales se construyo como modelos cuánticos. Uno de ellos es el principio de incertidumbre de Heisenberg, el cual dice:

“ Es imposible determinar simultánea y precisamente, por medios experimentales, la posición exacta y la cantidad de movimiento exacto (o contenido de energía) de una partícula pequeña como el electrón”.

El mundo de la Física tiene planteado un gran problema y los físicos son muy conscientes de ello, conocen su existencia hace décadas. El problema es el siguiente:

Existen dos pilares fundamentales en los cuales se apoya toda la Física moderna. Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que nos proporciona el marco teórico para la comprensión del Universo a una escala máxima: estrellas, Galaxias, cúmulos (o clusters) de Galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio Universo.

El otro pilar es la mecánica cuántica que, en un primer momento vislumbro Max Planck y posteriormente fue desarrollada por W.Heisemberg, Schrödinger, el mismo Einstein, Dirac, Niels Bohr y otros y que nos ofrece un marco teórico para comprender el Universo en su escala mínima: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y quarks.

Quarks y leptones

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Gell-Mann fue aún más allá que Mendeleev, ya que no sólo ordenó el espectro de los hadrones sino que además introdujo el modelo más exitoso sobre su estructura interna, al postular que estos están formados por partículas puntuales a las que denominó quarks. Para explicar el espectro conocido, Gell-Mann propuso que estos quarks debían existir en tres “sabores” distintos, a los que llamó up, down y strange y que debían poseer carga eléctrica fraccionaria respecto de la del electrón. El quark up está cargado positivamente con 2/3 la carga del electrón, mientras que los otros dos poseen una carga de -1/3 en las mismas unidades. Todos los bariones conocidos pueden entenderse como compuestos por tres de estos quarks, por ejemplo el protón está formado por dos quarks u y un d (y el neutrón por dos d y un u), mientras que los mesones se componen de un quark y un antiquark.

Las figuras muestran la composición elemental de algunos de los hadrones conocidos.

Espectro de bariones en términos de quark

Durante las décadas siguientes se encontrarían nuevos hadrones que llevarían a postular la existencia de otros tres sabores de quarks, cada uno más pesado que el anterior, bautizados charm, bottom y top. Los seis quarks pueden ser agrupados en tres familias, de a pares, de acuerdo con sus características. La tabla siguiente resume sus propiedades fundamentales.

A su vez, fueron hallados nuevos leptones, sorpresivamente llegando al número de seis, igual que en el caso de los quarks. Además de los “parientes” pesados del electrón, como el muón y el tau, se hallaron partículas de carga neutra y masa casi nula a las que se llamó neutrinos, existiendo uno por cada familia de leptones. La tabla siguiente resume sus propiedades básicas.

Por el momento entendemos que toda la materia está formada por quarks y electrones. Los primeros forman a los protones y a los neutrones que se encuentran en el núcleo de los átomos, con electrones “orbitando” a su alrededor.

Durante años de investigación los físicos han confirmado experimentalmente, con una exactitud casi inimaginable, la practica totalidad de las predicciones que hacen las dos teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos nos llevan a una conclusión inquietante: Tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no puede ser ambas ciertas a la vez.

Nos encontramos con que las dos teorías en las que se basan los enormes avances realizado por la física durante el último siglo (avances que han explicado la expansión de los cielos y la estructura fundamental de la materia) son mutuamente incompatibles. Cuando se juntan ambas teorías, aunque la formulación propuesta parezca lógica, aquello explota, la respuesta es un sinsentido que nos arroja un sin fin de infinitos a la cara.

Así que si tú, lector no has oído nunca previamente hablar de este feroz antagonismo, te puedes preguntar a que es debido. No es tan difícil encontrar la respuesta. Salvo en algunos casos muy especiales, los físicos estudian cosas que son o bien pequeñas y ligeras (como los átomos y sus partes constituyentes), o cosas que son enormes y pesadas (como estrellas de Neutrones y Agujeros Negros), pero no ambas al mismo tiempo. Esto significa que sólo necesitan utilizar la mecánica cuántica, o la relatividad general, y pueden minimizar el problema que se crea cuando las acercan demasiado, las dos teorías no pueden estar juntas. Durante más de medio siglo este planteamiento no ha sido tan feliz como la ignorancia, pero ha estado muy cerca de serlo.

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El espacio tiempo se curva en presencia de mundos y estrellas…

No obstante, el Universo puede ser un caso extremo. En las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una descomunal masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo. En el momento del Bing Bang, la totalidad del Universo salió de la explosión de una bolita microscópica cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general.

Por ciertas razones, las fórmulas de la relatividad general y las de la mecánica cuántica, cuando se combinan, empiezan a agitarse, a traquetear y tener escapes de vapor como el motor de un viejo automóvil. O dicho de manera menos figurativa, hay en la Física preguntas muy bien planteadas que ocasionan esas respuestas sin sentido, a que me referí antes, a partir de la desafortunada amalgama de las ecuaciones de las dos teorías.

Aunque se desee mantener el profundo interior de un agujero negro y el surgimiento inicial del Universo envueltos en el misterio, no se puede evitar sentir que la hostilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general está clamando por un nivel más profundo de comprensión.

¿Puede ser creíble que para conocer el Universo en su conjunto tengamos que dividirlo en dos y, conocer cada parte por separado? Las cosas grandes una ley, las cosas pequeñas otra.

Un niverso iniforme que está determinado por el espacio-tiempo y la materia que contiene y que, nos presenta una serie de complejas cuestiones que no hemos llegado a resolver. Algunos hablan del Caos y, nada más lejos de la realidad que ninguna clase de “caos” sea nada importante en el ritmo del Universo que, de sonsentir algún Caos esporádico, es simplemente porque es necesario para su reciclaje y evolución. Todo es un ciclo, el equilibrio en la destrucción-construcción de lo viejo y gastado por lo nuevo y vigoroso. Algunos hablan de que nunca, por mucho tiempo que podamos estar aquí, llegaremos a conocer el Universo en toda su grandiosa magnitud de contenidos.

Muchos de esos contenidos están bien estudiados y, a partir de ellos, podremos pasar a los otros. Cuando obtenemos una respuesta, nos permite seguir preguntando sobre otra incognita o secreto que, ante de haber obtenido el nuevo conocimiento ni sabíamos que podría existir, y, de esa manera caminamos. Poco a poco. Todo será cuestión de ¡Tiempo!

Mi opinión es que aún no hemos encontrado la llave que habré la puerta de una teoría cuántica de la gravedad, es decir, una teoría que unifique, de una vez por todas las dos teorías más importantes de la Física: Mecánica Cuántica+Relatividad General. La respuesta, si es que la hay, parece estar en la Teoría de Supercuerdas o la más moderna versión de la Teoría M.

Recordemos que Einstein se pasó los últimos 30 años de su vida en Princeton tratando de buscar la fórmula maravillosa que uniera éstas dos grandes teorías, la R.G. y la M.C., no lo consiguió por que aún no existían las matemáticas necesarias para poder llegar a tales profundidades del conocimiento.

Y, aún hoy, tampoco existen.

emilio silvera

                                                                                           Me resulta, siempre sorprendente. ¡Qué maravilla!

Claro que, todo eso es posible, por el hecho de que, dicha imagen, me es muy familiar. Creo que cada uno construirá sus propias imágenes conforme él las vea a partir de las ecuaciones o bien de cómo las formó en su mente a partir de sus lecturas o explicaciones oídas en charlas científicas.

Cuando entraron en escena David Politzer, de harvard, y Davil Gross y Frank Wilczek, de Princeton, el panorama de lo que ocurría en el interior del núcleo, se aclaró bastante. Ellos, descubrieron algo que llamaron libertad asintótica. Asintótico significa, burdamente, “que se acerca cada vez más, pero no toca nunca”. Los quarks, según descubrieron los tres, tienen libertad asintótica. La interacción fuerte se debilita más y más a medida que un quark se aproxima a otro. Esto significa paradójicamente, que cuando los quarks están muy juntos se portan casi como si fuesen libres. Pero cuando se apartan, las fuerzas se hacen efectivamente mayores. Las distancias cortas suponen energías altas, así que la interacción fuerte se debilita a altas energías.

donde α es el equivalente en la teoría de la constante de estructura fuina, g² / (4π) en las unidades preferidas por los físicos de partículas. Si esta función es negativa, la teoría es asintóticamente libre. Para SU(3), el grupo gauge de la carga de color de QCD, la teoría es por lo tanto asintóticamente libre si hay 16 o menos sabores de quarks. Pero sigamos…

Esto es justo lo contrario de lo que pasa con la fuerza eléctrica.

Aún más importante era que la interacción fuerte necesitase una partícula mensajera, como las otras fuerzas y, en alguna parte le dieron al mensajero el nombre de gluón (de las ingles Blue, pegamento).

A todo esto, llegó Murray Gell-Mann con sus quarks para completar el panorama, adjudicó a estas diminutas partículas color y sabor (nada que ver con el gusto y los colores reales) y llegó la teoría denominada cromodinámica cuántica.Todo aquello dio mucho que hablar y mucho trabajo a los teóricos y experimentadores y, al entrar en los años ochenta, se había dado ya con todas las partículas de la materia (los quarks y los leptones), y teníamos las partículas mensajeras, o bosones gauge, de las tres fuerzas, a excepción de la Gravedad.

Murray Gell-Mann

MATERIA

La familia de los leptones está compuesta por el electrón, muón y tau con sus correspondientes neutrinos.

Así quedó prácticamente completo el llamado modelo estándar que describe las partículas que forman la materia conocida y las fuerzas que intervienen e interaccionan con ellas.La gravedad, quedó plasmada en la relatividad general de Einstein.

¿Por qué es incompleto el modelo estándar? Una carencia era que no se hubiese visto todavía el quark top que, por fín, fue localizado en Europa en 1005. Otra la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la Gravedad. Otro defecto estético es que no es lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua, de Empédocles. Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar.

Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la Gravedad que, con enorme simpleza y aplicando principios naturales, trata los temas más profundos del Universo.

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¿Cuántos misterios nos estará escondiendo esta imagen del Universo profundo? Esperemos que continué desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, toas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al Universo.

A todo esto y como el Bosón de Higgs está perdido, la materia oscura está perdida, el neutrino no sabemos a ciencia cierta si tiene alguna masa, el gravitón se esconde y no se ha detectado directamente, y muchos de los números que nos hacen falta conocer los tenemos de forma imprecisa. Por ejemplo, como os decía,  no sabemos si los neutrinos tienen alguna masa en reposo.

Tenemos que saber cómo la violación de la simetría CP (el proceso que originó la materia) aparece, y, lo que es más importante, hemos de introducir un nuevo fenómeno, al que llamamos campo de Higgs, para preservar la coherencia matemática del modelo estándar. La idea de Higgs, y su partícula asociada, el bosón de Higgs, cuenta en todos los problemas que he mencionado antes. Parece, con tantos parámetros imprecisos (19) que, el modelo estándar se mueve bajo nuestros pies.

Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “supergravedad”, “súpersimetría”, “supercuerdas” “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo o gran teoría unificada”.

Como podeis ver en las diferentes imágenes, cuando no sabemos, es nuestra imaginación la que libremente dibuja lo que su mente le dicta y, de esa manera, creamos mundos diferentes que pretenden representar lo que nuestras ideas nos dictan. Al igual que dentro de un átomo hay núcleos, y dentro de estos, hay Quarks, lo más natural es pensar que esa evolución seguirá hacia algo más pequeño sucesivamente. Si la teoría de las supercuerdas fuese cierta, existirían otras dimensiones más pequeñas que un átomo.

Ahí tenemos unas matemáticas exóticas que ponen de punta hasta los pelos de las cejas de algunos de los mejores matemáticos del mundo (¿y Perelman? ¿Por qué nos se ha implicado?).Hablan de 10, 11 y 26 dimensiones, siempre, todas ellas espaciales menos una que es la temporal.Vivimos en cuatro: tres de espacio (este-oeste, norte-sur y arriba-abajo) y una temporal. No podemos, ni sabemos o no es posible instruir, en nuestro cerebro (también tridimensional), ver más dimensiones. Pero llegaron Kaluza y Klein y compactaron, en la longitud de Planck las dimensiones que no podíamos ver. ¡Problema solucionado!

Los físicos teóricos fueron perturbados por la existencia de cinco diferentes teorías de cuerdas. Esto aconteció bajo la denominada segunda revolución de las supercuerdasd en los años 1990 donde fueron descubiertas las 5 teorías de cuerdas, siendo diferentes casos límite de una única teoría: la Teoría M.

Teoría de Cuerdas
Tipos	Dimensiones Espaciales	Detalles
Bosonica	26	Solo bosones no fermiones, significa solo fuerzas, no materia, con cuerdas abiertas y cerradas; mayor defecto: una particula con masa imaginaria llamada taquión
I	10	Supersimetría entre fuerza y materia, con cuerdas abiertas y cerradas, libre de taquiones, grupo de simetría SO(32)
IIA	10	Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, fermiones sin masa que giran a ambas direcciones
IIB	10	Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones. fermiones sin masa que giran en una sola dirección
HO	10	Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, heterótica, difieren entre cuerdas de movimiento derecho e izquierdo, grupo de simetría es SO(32)
HE	10	Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, heterótica, difieren entre cuerdas de movimiento derecho e izquierdo, grupo de simetría E8×E8

¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas?

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y, a los teóricos, se les regaló una herramienta maravillosa. En el Hiperespacio, todo es posible. Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí si es posible encontrar esa soñada teoría de la Gravedad cuántica.

Así que, los teóricos, se han embarcado a la búsqueda de un objetivo audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intento calor del universo en sus primeros tiempos, una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas.Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

En el fondo de la Teoría de Supercuerdas, subyace, sontiente Einstein que verá como de su original trabajo, emerge éste más moderno que, por sus avanzados conceptos, aún es pronto para que puedan caer en nuestras ignorantes manos. ¿Qué haríamos con adelantos tan avanzados en nuestra actual situación en la que, en realidad, no estámos lo suficientemente evolucionados como para saber manejar ciertas cuestiones que nos hablan de cosas muy serías y de conocimientos muy profundos…demasiado para este momento.

¿Dónde radica el problema?

El problema está en que la única teoría candidata no tiene conexión directa con el mundo de la observación, o no lo tiene todavía si queremos expresarnos con propiedad. La energía necesaria para ello, no la tiene ni el nuevo acelerador de partículas LHC, el más potente del que disponemos en la actualidad y que algunos (ilusos) creían que podría traernos el fín del mundo (mejor lo dejaremos pora el 2,012 de los Mayas que -ya veréis- como pronto empezará ha formar ruido.

La verdad es que, la teoría que ahora tenemos, el Modelo Estándar, concuerda de manera exacta con todos los datos a bajas energías y contesta cosas sin sentido a altas energías.

¡Necesitamos algo más avanzado

Todo lo que observamos en la naturaleza tiene una propiedad llamada masa. Incluso el aire del ambiente tiene un peso dado por su masa. Sin embargo, a pesar de que es un concepto que manejamos a diario, los científicos todavía no se ponen de acuerdo en qué es lo que hace que los objetos tengan masa. Aquí es donde entra el Boson de Higgs.

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las otras partículas. Cuando su autor lanzó la idea al mundo, resultó además de nueva muy extraña.El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resulto ser complejo lleno de esas infinitesimales partículas electromagnéticas que bautizamos con el nombre de electrones, resultó que tenía un núcleo que contenía, a pesar de ser tan pequeño, casi toda la masa del átomo. El núcleo, tan pequeño, estaba compuesto de otros objetos más pequeños aún, los quarks que estaban instalados en nubes de otras partículas llamadas gluones y, ahora, queremos continuar profundizando, sospechamos, que después de los quarks puede haber algo más.

Bueno, la idea nueva que surgió es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes. Es decir, que si miramos a las estrellas en una noche clara estamos mirando el campo de Higgs. Las partículas influidas por este campo, toman masa. Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (gauge) de los que hemos comentado, del campo gravitatorio o del electromagnético. Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquiriría energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra.

Como E=mc2, ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del Sistema Tierra-bloque de plomo. Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein. La masa, m, tiene en realidad dos partes. Una es la masa en reposo, m0, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo. La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el acelerador de partículas, o los muones, que aumentan varias veces su masa cuando son lanzados a velocidades cercanas a c) o en virtud de su energía potencial de campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos.Por ejemplo, si separamos el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Los carros de una montaña rusa alcanzan su máxima energía potencial gravitaciona en la parte más alta del recorrido. Al descender, ésta es convertida en energía cinética la que llega a ser máxima en el fondo de la trayectoria (y la energía potencial mínima). Luego, al volver a elevarse debido a la inercia del movimiento, el traspaso de energías se invierte. Si se asume una fricción insignificante, la energía total del sistema permanece constante. En los océanos de Higgs, según la toería de Ramón Márquez (nuestro compañero contertulio), cuando la partícula fricciona con esos campos de Higgs, se ve frenada y, ese contacto y frenado es, precisamente, el que le da la masa.

Pero la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos familiares. La masa tomada de Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera toda la masa en reposo. Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas.

Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones, nos recuerda el descubrimiento por Pietez Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo. El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta ahora no tenemos ni idea de que reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC). Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas –Las masas de los W+, W-, y Zº, y el up, el down, el encanto, el extraño, el top y el bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van de la del electrón 0’0005 GeV, a la del top, que tiene que ser mayor que 91 GeV. Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil (Weinberg-salam). Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnéticas y débiles. En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa –los W+, W-, Zº y fotón que llevan la fuerza electrodébil. Además está el campo de Higgs, y, rápidamente, los W y Z chupan la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa. La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos.Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil. Y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que ^t Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera esta libre de infinitos.

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una vez potente y segura nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmariana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la matería?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron del “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrinseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en laque los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espin de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espin cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs de masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad.Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” [sin dirección] por esa razón.

El mecanismo de Higgs lo que da masa al vector bosón, fue teorizado en 1964 por Peter Higgs, Francois Enlegert, y Robert  Brouty  (quienes trabajaban en las ideas de Philip Anderson), e independientemente po G. S. Guralnik, C.R. Hagen y T. W. B. Gible. Higgs -en un comentario añadido a una carta dirigida a la Physical Review- propuso que la existencia de una partícula escalar masiva podría ser una prueba de la teoría.

La interacción débil, recordareis, fue inventada por E.Fermin para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV. Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón Higgs origen de la masa… y algunas cosas más.

Hay que responder montones de preguntas. ¿Cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs y, lo que es más importante, cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión de LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas, o solo las hace incrementarse? ¿Y, cómo podemos saber más al respecto? Como s su partícula, nos cabe esperar que la veamos ahora después de gastar más de 50.000 millones de euros en los elementos necesarios para ello.

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del Universo, añadiendo, pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

Todo esto es apasionante, nos lleva a descubrir los misterios de la materia y fuerzass que intervienen en los mecanismos de los que el Universo se vale parta conseguir lo que se propone, y, nosotros, simples mortales, nos asombramos de lo que la Naturaleza es capaz de realizar para hacer, las cosas maravillosas que más tarde, nosotros descubrimos.

emilio silvera

Joseph John Thomson

Como decíamos hace unos días, el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico Joseph John Thomson (1.856 – 1.940). El problema de la estructura (si es que la hay) del electrón no está resuelto; nuestras máquinas no tienen la potencia suficiente para poder llegar, en el micromundo, a distancias infinitesimales de ese calibre. Si el electrón se considera como una carga puntual su auto energía es infinita y surgen dificultades de la ecuación de Lorentz-Dirac.

Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio r₀ llamado el radio clásico del electrón, dado por r_o = e²/(mc²) = 2’82×10^-13 cm^, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz. Este modelo también tiene problemas como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Ahora se cree que los problemas asociados con el electrón deben ser analizados utilizando electrodinámica cuántica en vez de electrodinámica clásica. La importancia del electrón es enorme, no por pequeño se es menos importante, y, hasta tal punto es así que, sin la existencia del electrón, serí imposible que se pudieran conformar los átomos que se unen para formar las moléculas y células de la materia.

El electrón es uno de los miembros de la familia de leptones: donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz. Este modelo también tiene problemas como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Poincaré

electrón, muón y tau

La Física de Partículas elementales estudia los componentes básicos de nuestro universo y las interacciones que gobiernan su comportamiento.

Para algunas personas, eso significa que lo estudia todo, así que sería una buena herramienta para responder a la milenaria pregunta, primero filosófica y ahora científica, sobre “de qué está hecho” y “cómo funciona” el Universo.

Según la Física actual, los ingredientes básicos de la materia; partículas elementales de dos tipos, quarks y leptones. Pero sigamos hablando de la familia de los leptones, en la que el electrón, lleva el papel principal y, no se debe confundir con el fotón que es un bosón y no tiene masa, por eso se mueve a la velocidad de la luz.

La línea amarilla muestra el tiempo que tarda la luz en recorrer el espacio entre la Tierra y la Luna, alrededor de 1,29 segundos.

Las tres partículas, electrón, muón y tau, son exactas, excepto en sus  masas. El muón es 200 veces más masivo que el electrón. La partícula tau es unas 35.600 veces más masiva que el electrón. Los leptones interaccionan por la fuerza electromagnética y la interacción débil. Para cada leptón hay una antipartícula equivalente de carga opuesta (el positrón es la antipartícula del leptón electrón). Los antineutrinos, como los neutrinos, se cree que no tienen carga.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan las estructuras atómicas, las reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas pero, al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas (probar con imanes como las fuerzas desiguales y contrarias – positiva/negativa – se atraen, mientras que cargas iguales – negativa/negativa o positiva/positiva – se repelen).

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo clásico de fuerzas (Ley de Coulomb) como por el intercambio de fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tienen una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describen (como antes dije) con la electrodinámica cuántica. Esta fuerza tiene una partícula portadora, el fotón.

Todos oímos con frecuencia la palabra “electrónica”, pero pocos pensamos que estamos hablando de electrones en diseños de dispositivos de control, comunicación y computación, basándose en el movimiento de los electrones en circuitos que contienen semiconductores, válvulas termoiónicas, resistencias, condensadores y bobinas y en la electrónica cuántica aplicada a la óptica, se han conseguido verdaderas maravillas que han facilitado grandes avances tecnológicos de distintas aplicaciones como la investigación o la medicina y la cirugía, entre otros.

Este pequeño comentario sobre la electrónica y la fotónica que antes habéis leído, demuestra cómo el conocimiento y el dominio sobre estos dos pequeñísimos objetos, el fotón y el electrón, nos ha dado unos beneficios increíbles en la vida cotidiana y en muchos campos de la actividad humana.

Existen otras partículas aún más diminutas que, en realidad, podríamos decir que son los auténticos ladrillos de la materia, los objetos más pequeños que la conforman: los quarks.

Todo lo que vemos en el Universo está hecho de Quarks y Leptones

En la antigua Grecia, sabios como Demócrito, Empédocles, Thales de Mileto o Aristóteles, ya sospecharon de la existencia de pequeños objetos que se unían para formar materia. Demócrito de Abdera decía que todo estaba formado por pequeños objetos invisibles e indivisibles a los que llamaba a-tomo o átomos.

Pasaron muchos años de controversia sobre la existencia de los átomos y, en 1.803 (volvemos al principo de este comentario), el químico y físico británico John Dalton señaló que los compuestos físicos se combinaban para, en ciertas proporciones, formar agrupamiento de átomos para formar unidades llamadas moléculas.

En 1.905 llegó Einstein para dar una de las evidencias físicas más importante de la existencia de los átomos, al señalar que el fenómeno conocido como movimiento browniano – el movimiento irregular, aleatorio de pequeñas partículas de polvo suspendidas en un líquido – podía ser explicado por el efecto de las colisiones de los átomos del líquido con las partículas de polvo.

Trayectoria irregular que siguen las partículas brownianas

Por aquella época ya había sospechas de que los átomos no eran, después de todo, indivisibles. Hacía varios años que J. J. Thomson, de Cambridge, había demostrado la existencia de una partícula material, el electrón, que tenía una masa menor que la milésima parte de la masa del átomo más ligero. Se comprendió que estos electrones debían provenir de los átomos en sí. Y, en 1.911, el físico británico Ernest Rutherford mostró finalmente que los átomos de la materia tienen verdaderamente una estructura interna: están formados por un núcleo extremadamente pequeño y con carga positiva, alrededor del cual gira un cierto número de electrones.

Modelo de un átomo con su núcleo rodeado de electrones

En 1.932, un colega de Rutherford, James Chadwick, descubrió también en Cambridge que el núcleo contenía otras partículas, llamadas neutrones, que tenían casi la misma masa del protón que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón que es negativa, con lo cual, como todos los núcleos tienen el mismo número de protones que de electrones hay en el átomo, el equilibrio de éste queda así explicado: carga positiva similar a carga negativa = a estabilidad en el átomo.

Durante mucho tiempo se creyó que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos eran partículas “elementales”, pero experimentos en los aceleradores de partículas en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a velocidades cercanas a la de la luz indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas aun más pequeñas.  Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, el norteamericano, Murray Gell–Mann, que ganó el Nobel en 1.969 por su trabajo sobre dichas partículas y el modelo del óctuple camino.

Murray Gell – Mann

Se le otorgó el Premio Nobel de Física en 1969 por sus descubrimientos sobre partículas elementales. La teoría de Gell-Mann sobre los Quarks,  aportó orden al caos reinante sobre la verdadera naturaleza del núcleo atómico. Los quarks se mantienen unidos gracias al intercambio de Gluones que son los bosones intermediarios de la fuerza nuclear fuerte.

Como podeis comprobar, la materia y sus componentes tiene tanta complejidad que, después de más de 2.500 años cuando Demócrito postuló la existencia del átomo como la cantidad más pequeña de la que está hecha la materia, aún no hemos podido saber, a ciencia cierta lo que la materia es, y se sospecha que más allá de los Quarks, podrían existir otros objetos aún más elementales que serían los verdaderos ladrillos de la materia.

Bueno, seguiremos buscando.

emilio silvera

Lo cierto es que, sobre la Teoría de Supergrav3edad, Supersimetría, de Cuerdas y Supercuerdas, la Cuerda Heterótica y la Teoría M, sin olvidar aquella pionera Teoría de Kaluza-Kleim, se vienen desarrollando un sin fin de “teorías” que podrían ser excesivas si tenemos en cuenta la verdadera validez de algunas. Toda esta proliferación de “teorías” nos puede llevar a una especie de crisis de ideas que nos llevarían a una física degradada, sin sentido, que más que una Teoría del Todo se podría denominar Teoría del Vacío, de la Nada, ya que nada podríamos esperar de ella. Así que, lo recomendable es, dar aquellos pasos que estén fiermemente asentados en realidades o aquellos otros que, sin estarlo (aun), puedan tener auténticos visos de que son (al menos) la sombra de esa realidad soñada y que son merecedores de ser perseguidos. De otra manera, perderemos el rumbo.

El artículo que publica Ciencia Kanija,  comenzaba con una pregunta: ¿Existe una teoría del todo?

El autor reconoce que la Física, en realidad son dos ciencias divididas entre la Cúantica y la Gravedad. Sigue desarrollando su tesis para hablarnos de que, ambas ramas de la física han sido objeto de múltiples intentos que han llevado a cabo una pléyade de físicos de todo el mundo para tratar de unir, ambas versiones, Gravedad y Cuántica, en una sólo Teoría del Todo.

A partir de ahí, el autor, desarrolla una serie de hipótesis y recordatorios de autores que han ido postulando esta o aquella teoría, y, se aferra al LHC para que nos lleve en volandas hacia ese futuro solado en el que, una única y gran teoría (la Teoría del Todo) nos dará la respuesta a todo aquello que quereamos preguntarle.

Nuestro contertulio Tom Wood (), al respecto de todo esto, hizo un comentario que, por su destacado valor al realizarlo y el profundo pensamiento que lleva implícito, me parece digno de ser reproducido aquí, para que, todos nosotros – los amigos de este lugar-, podamos ver que no es oro todo lo que reluce y que, algunas veces hay que ceñirse a la realidad y dejar a un lado los sueños que, por muy bonitos que puedan ser, podrían confundir al lector no versado que tendría una imagen equivocada de esa realidad que no siempre sabemos transmitir.

“Tom Wooddice:

Por lo demás el articulo es mas de lo mismo, puro marketing. Están asustados porque los mitos y los embrujos se están derribando. Además, con la crisis los recursos ya no les fluyen como antes a los cuerditas anglosajones.”

Alguien, en respuesta a sus palabras le responde…

“el fleadice:

04/01/2012 a las 4:30 pm

Puedes explicar que mitos y embrujos Tom Woods?”

Tom Wooddice:

05/01/2012 a las 1:23 pm

Rapidito: 10E-33cm, es una longitud inalcanzable para la física, por unos cuantos siglos. Toma una regla escolar, mira la distancia entre dos milímetros (1mm), he imagina que comienzas a dividirla en 10 partes, después en 100, después en 1 000 y así hasta llegar a dividir ese 1mm por 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Por ahí tendrías una “cuerda”, después agrégale energía, modos de vibración, y cualquier cosa con lógica física que se te ocurra. Como medir uno solo de esos parámetros, ningún ser humano sobre la faz de la tierra puede saberlo.

     Como nos dice Tom, hay parámetros no medibles por el hombre que, no dispone de los medios que, de momoento al menos, son inalcanzables y, las cuerdas, si están ahí, son uno de esos inalcanzables objetos que tantas respuestas nos podrían ofrecer.

http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_cuerdas

Los neutrinos que los “tocamos” todos los días, posiblemente acabemos este siglo y no los habremos caracterizados físicamente, no sabremos que son. Ni siquiera se sabe como medir su masa en reposo, lo que en una buena física implica, que tiene la misma certidumbre decir que son partículas, electromagnéticos o alguna nueva forma de materia.

Los electrones (descubiertos en 1897, unos 10E+130 en el universo observable), los leptones, sabemos que tienen adentro, NO. Algo que manipulamos diariamente, todos los equipos que nos rodean trabajan con corriente eléctrica, corrientes de electrones. ¡Pero no que no sabemos que tienen adentro!, sino que no hay sobre la faz de la tierra un humano que se imagine o tenga un esquema burdo de lo que tienen adentro un leptón (mi campo de estudio). Pero el radio clásico del electrón es “conocido” (2,8x10E-17cm) y su longitud de onda Compton (2,4x10E-14cm, otra posible medida de su radio) también. Pero el asunto es más complejo cuando lo vemos como ondas o como partículas, pero dejémoslo ahí, para no entrar en contiendas o discusiones estériles. http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93rdenes_de_magnitud_(longitud)

Los protones, los quarks, que los “tocamos” todos los días, sabemos que son, podemos medir sus propiedades. Supongamos que ellos están confinados por debajo de una esfera de 10E-17cm de radio, pero no podemos medir directamente lo poco que conocemos de ellos, casi todo son simulaciones físico-matemáticas hechas en superordenadores. Así, que las cosas no son tan fáciles para los físicos como pudiera decirse.

Las simulaciones por ordenador son no pocas veces el único camino que encuentran los físicos para poder acercarse a lo que podría ser “esa” realidad buscada de objetos infinitesimales que, no siempre podemos ver y, la solcuión, es simular con modelos que, más o menos certeros nos llevarán (con suerte)m a esa realidad buscada.

http://francisthemulenews.wordpress.com/2010/07/08/la-medida-mas-precisa-del-radio-de-un-proton-en-un-hidrogeno-muonico-arroja-un-valor-un-5-mas-pequeno-de-lo-obtenido-con-hidrogeno-electronico/

Entonces cuando comienzas ha hacer mediciones de algo a través de mediciones indirectas, que a la vez son mediciones de otras indirecta, entonces la certidumbre de que lo que mides es cierto; es casi cero. Entonces tienes que suponer teorías físico-matemáticas, que al menos predigan la existencia de algo mas medible y ese algo mas medible (supongamos una nueva partícula) se encuentre; eso te da cierta certidumbre de que lo que supones podría ser cierto y si esto se repite, aumentas la certidumbre de tu suposición (teoría). El asunto es que en la medida que mides cosas más chiquitas, puedes medir menos parámetros físicos de lo que mides. Y en los niveles que estamos, ya casi nada de lo que se mide, tiene ni siquiera un parámetro medible directamente, así que nadie puede decir que va a pasar cuando sigamos profundizando. Ni siquiera puede decir nadie, si los métodos actuales servirán para seguir profundizando, porque al nivel que se esta, el instrumento de medición ya es un ruido insoportables en las mediciones. De ahí los análisis estadísticos de “millones de millones de millones…” de colisiones (entiéndase, búsqueda del higgs) para dentro de esto encontrar, por discriminación algunas buenas señales. Actualmente en las mediciones, se infiere y se aproxima mucho, esto hace que incluso el valor experimental de un parámetro del micromundo o el macromundo cósmico, calculado por un método, no sea igual al calculado por otro. Por lo que con tantas aproximaciones de mediciones indirectas, que ya han sido aproximadas de otras indirectas aproximadas, no podamos saber cual de los dos es el valor más correcto, si los valores obtenidos están muy próximos, algo que antes no era un problema discernir. Hay tantos equipos ultrasensibles implicados en las mediciones, en lo que se quiere medir, que esos mismos equipos son verdaderas hazañas científicas, por lo que cada uno de ellos necesita un cuerpo de especialistas para mantenerlos a punto. Incluso al nivel actual, importa hasta el método de calculo que usa las cadenas de computadoras que monitorean y calculan todo esto, por lo que ya a este nivel puedes haber puesto, 5,4568603 por 5,4578603 (5,45”6”8603 por 5,45”7”8603) en un programa de miles de códigos y eso estar afectando el valor mas probable de la medición.

                              Buscar en Higgs en marañas como esta de arriba, no resultará nada fácil

Lo que pasa es que los físicos tenemos simpatías por ciertas corrientes, debido a como te formaste o te formaron, debido a lo que investigas o te gusta investigar y entonces sobredimensionamos nuestras perspectivas, además de ignorancia y oportunismo. Lo malo no es que se divulguen estas cosas, lo malo es que se habla y se habla, y no se aclaran los límites físicos de las teorías o ideas físicas. Se divulga y se divulgan ideas, como si toda la sociedad fuera especialista, y la física actual no es un jueguito al alcance de la mano del PIB de cualquier país. Incluso países como España, entre los más desarrollados del mundo, no pueden tener ni un mínimo programa espacial autónomo. Son cosas muy serias, muy complejas, cosas que están más allá de los límites humanos, y es maravilloso que los humanos estemos en esos límites, pero hay que divulgar con responsabilidad. Ya llame la atención sobre eso en el blog de Emilio y de Francis y veo como ellos, se toman todas las licencias científicas que requiere la divulgación, pero ponen cuidado en aclarar los limites y la veracidad de la existencia de lo que tratan, no lo ven como un tiempo perdido, sino como algo muy importante para el lector. Por eso un divulgador científico, no puede ser un periodista, no puede ser un científico, la divulgación científica; es el patito feo a lo largo de la historia, del periodismo. Un periodista puede decirte los errores gramaticales, o sintácticos…, incluso puede lograr buenas entrevistas científicas (no muchas), pero jugar con las ciencias, con las físicas-matemáticas, con los numerología experimental, desentrañar misterios que parecen de Dios y que medianamente se entiendan, eso necesita un talento divino, que Dios le negó hasta los científicos mas iluminados. Si no se tiene esto en cuenta, si no se tiene en cuenta los límites, llega el momento que estos se convierten en un error, por lo que los objetivos que se perseguían con la divulgación, acaban perdiéndose en la confusión que adquiere el lector. Ya te encuentras personas discutiendo sobre cosas que no existen, que no se han encontrado, que no se han demostrado, dando fe de ellas como si fueran el pan nuestro de cada día. Pueden llegar hasta matar por lo que defienden, no hay quien los saque de su error, ¿de donde viene la confusión? Son personas inteligentes, de fe científica, personas que creen en la ciencia porque les gusta, porque la ven a su alrededor, o han sentido sus beneficios en un hospital, y están en el deber, por la fuerza de su propia realidad, de creer y defender lo que leen sobre la ciencia. De tener fe en todos los científicos con titulo, pero un científico no necesariamente puede explicarle la ciencia a cualquiera, no eso es un disparate muy común. Yo ni me arriesgo, se mis limites y que hay muchos mejores. Pero lo que habla un especialista, puede ser un poco para especialista. No por ser premio Nobel, se sabe explicar ciencia. Muchos de mis profesores mas premiados, no fueron de los que mas aprendí o entendíamos; recuerdo los comentarios y había consenso en esto. Recuerdo uno muy talentoso (muy tímido), fuera de serie, de análisis funcional, que se pegaba a la pizarra, habla tan bajito con el (un susurro), con la pizarra y sus ecuaciones, además de no moverse (una momia, increíble) de ese lugar, ni mirarnos durante toda la clase. Al punto de que nadie ni se movía para poder escucharlo, podías sentir hasta el aleteo de una mosca del silencio que había entre los estudiantes. ¿Crees que unas explicaciones divulgativas de un genio así no es codiciada por todo periodista?; pero no funcionaria, estoy seguro. Al final la polea informativa iría llena de cosas confusas.

¿Será el LHC el que nos traiga esas partículas exóticas, el que nos deje vislumbrar la sombra de las cuerdas, el que nos lleve hasta la puerta de esas dimensiones compactadas en el “universo” infinitesimal, el que pueda tener la llave para abrir puertas hasta ahora cerradas que no nos dejan pasar hacia el futuro de la Física?

NO existe el Higgs hasta que no se encuentre, no existen las superarticulas por lo mismo, no existe la energía oscura o la materia oscura, no hay 100% de certeza de la existencia de agujeros negros, no se sabe si el universo es finito o infinito en espacio y tiempo; por lo que no sabemos si existió un Big Bang, no sabemos que son las cuerdas, ni siquiera que son las matemáticas de cuerda físicamente…, no podemos ir al pasado a comprarnos tickets de lotería. Ahora, la ciencia, y su cortita historia, esta hecha de sueños y aspiraciones, de un conjunto de ideas y creencias; pero estas ideas tienen que buscar los “vericuetos” de la materialización, la realidad, y después pasar a la ciencia o la ingeniería aplicada… Incluso hay cosas, que los contemporáneos de muchos científicos creían imposibles de realizarse o encontrarse, y después se encontró la forma; pero esto no nos puede llevar a limites fanáticos, hay que saber moverse sobre esa cuerda floja, sin caer al abismo, ese es el arte del físico, emparedarse correctamente entre la matemática, la física, la mente, la sicología de su lógica humana y la naturaleza; una relación de compromiso casi imposible, pero fascinante. Algo difícil, para el que además, quiere divulgar la física; porque puede desmotivar al que no es muy dado a la ciencia, pero la realidad siempre es más fuerte que uno y hay que tenerla en cuenta también, para no caer en babeos. Lo mejor es ir iniciándose poco a poco, comparando artículos, comprender que la naturaleza no le regala muchas cosas a los hombres de ciencia. Ver que para llegar a las rosas, los científicos se pinchan con sus espinas cortantemente, muchos científicos, los físicos sobre todo, les niegan esto a los lectores porque los toman como intelectualmente inferiores, la clásica soberbia académica. Por ellos saben, que también hubo que desterrar muchas fantasías de la cabeza de los científicos, para crear las comodidades que hoy nos rodean y que no existen en la naturaleza.

tomwoodgonzalez@hotmail.com
Miami.”

De Tom Wood sabemos, según él mismo nos dice:

Fisico.
Ubicación	Florida, Miami, Estados Unidos
Introducción	Nací el 21 de junio de 1967. El día de más luz del año; sin embargo, se fue la luz durante el parto y como usaban oxigeno, no podían encender los faroles chinos de emergencia, solo la luz de un camión a través de una ventana lo permitió. Por la hora en que nací; unas veces soy Gemini(2) y otras Cáncer(1). Mi vida ha sido tan intensa, que una hora de mi vida, equivale a una semana de cualquier otra persona.

¡Ahí queda eso! Si alguien tiene algo que añadir…Esperamos con ansiedad.

En mecánica cuántica, la estructura del átomo se explica por analogía con un sistema de ondas estacionarias. Gran parte de los avances de la física moderna se basan en elaboraciones de la teoría de las ondas y el movimiento ondulatorio. Otra vez la doble personalidad de la luz, onda-partícula, ¿que secretos no estarán encerrados en la esencia del fotón y del electrón? ¿Tendrá razón nuestro contertulio Tom Wood y nos dará una agradable sorpresa con su Teoría Luz-Luz? Sería una agradable sorpresa.

En poco más de un siglo y medio, se ha pasado de la oscuridad más absoluta (conceptos básicos eran desconocidos), a una claridad, no cegadora aún, pero sí aceptable.  Son muchos los secretos de la Naturaleza física que han sido desvelados y el ritmo, parece que se mantiene a un nivel muy alto. De hecho, es exponencial, cada vez se avanza más en menos tiempo.

¡ El Tiempo !, ese preciado bien está a nuestro favor.  Sólo tenemos que ir pasando el testigo para alcanzar las metas propuestas. Pongamos nuestras esperanzas en que seamos responsables y tomemos las dicisiones correctas en cada momento, sabiendo utilizar de manera adecuada, esos nuevos descubrimientos que nos llevarán hacia el futuro.

Cuestiones “sencillas” de entender para los iniciados y, a veces, muy complejas para la gente corriente.  Por tal motivo, si escribo sobre estos interesantes temas, mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico.  No siempre lo consigo.

Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo. Hasta un diminuto (no por ello menos importante) electrón, crea, con su oscilación, su propio campo magnético, y,  aunque pequeño,  se le supone un tamaño no nulo con un radio r_o, llamado el radio clásico del electrón, dado por r₀ = e²/(mc²) = 2,82 x 10^-13 cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente del electrón y c es la velocidad de la luz.

También, dentro de este maravilloso planeta nuestro, aparte de otros magnetismos que pudieran estar presentes, está el nuestro, el de los seres vivos y, sobre todo, hablando de los racionales, ese magnetismo se puede dar de dos maneras: El Amor, que irremisiblemente nos atrae, o, el Odio, que al sentirlo sobre otra persona nos repele con la misma fuerza. ¡Qué extraños somos!

Pero sigamos hablando de Física. Por ejmplo, quiero explicar el magnetismo y digo:

Grupo de fenómenos asociados con los campos magnéticos.  Siempre que una corriente eléctrica fluye, se produce un campo magnético; como el movimiento orbital de un electrón, y el espín de los electrones atómicos son equivalentes a pequeños circuitos de corriente, los átomos individuales crean campos magnéticos a su alrededor cuando los electrones orbitales tienen un momento magnético neto como resultado de su momento angular.  El momento angular de un átomo es el vector suma de los momentos magnéticos de los movimientos orbitales y de los espines de todos los electrones en el átomo.

MECANICA ONDULATORIA DE SCHRÖDINGER:

Partiendo de las ideas de Planck y Louis de Brogli (1892-1987) y aplicando las matemáticas de William Rowan Hamilton (1805-1865), Erwin Schrödinger (1887-1961) desarrolló un modelo matemático en donde aparecen tres parámetros: n, l, y m; no fijó trayectorias determinadas para los electrones, soló la probabilidad de que se hallen en una zona explica parcialmente los espectros de emisión de todos los elementos. Sin embargo, a lo largo del siglo XX han sido necesarias nuevas mejoras del modelo para explicar otros fenómenos espectrales.

Orbitales: los elementos con diversos valores de momento angular ocupan regiones del espacio como éstas. La intensidad del sombreado indica la probabilidad de encontrar un electrón a esa distancia. El modelo atómico de Schrödinger abandonó la idea de órbitas precisas y las sustituyó por descripciones de las regiones del espacio (llamadas orbitales) donde es más probable que se encuntren los electrones.

Las propiedades magnéticas macroscópicas de una sustancia tienen su origen en los momentos magnéticos de sus átomos o moléculas constituyentes.  Diferentes materiales poseen distintas características en un campo magnético aplicado; hay cuatro tipos de comportamiento magnético:

1) En diamagnetismo, la magnetización está en la dirección opuesta a la del campo aplicado, es decir, la susceptibilidad es negativa.  Aunque todas las sustancias son diamagnéticas, es una forma débil de magnetismo que puede ser enmascarada por otras formas más fuertes.  Tiene su origen, en los cambios inducidos por los campos aplicados en las órbitas de los electrones de una sustancia, siendo la dirección del cambio opuesto a la del flujo aplicado (de acuerdo con la ley de Lenz).

Existe, por tanto, una débil susceptibilidad negativa (del orden de -10^{-8 m3} moL^-1) y una permeabilidad relativa ligeramente menor que uno.

Un ferrofluido es un líquido que reacciona en presencia de un campo magnético. Basicamente se puede decir que se imanta, es exactamente lo mismo que pasa cuando acercas un clavo a un iman, solo que no poseen ferromagnetismo, osea que no poseen la capacidad de mantener la fuerza magnetica una vez retirado el iman.

El ferro-magnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido.

• Los ferrofluidos suelen utilizarse en altavoces para disipar el calor entre la bobina y el imán, así como amortiguar pasivamente el movimiento del cono.
• También se emplean para formar sellos líquidos que rodean las flechas giratorias de los discos duros.
• Se utilizan en la impresión de tinta por chorro, control de carátulas alfa-numéricas, etc.
• En la medicina, los ferrofluidos son capaces de detectar ciertos canceres y tambien puede ser utilizado para prevenir la ceguera. Es una nueva forma para tratar el desprendimiento de la retina que está siendo estudiada.
• Los amortiguadores de la suspensión de un vehículo pueden llenarse con ferrofluido en lugar de aceite convencional, rodeando todo el dispositivo con un electroimán, permitiendo que la viscosidad del fluido (y por ende la cantidad de amortiguamiento proporcionada por el amortiguador) puedan ser variadas de acuerdo a preferencias del conductor.

Los materiales para-magnéticosno presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que los constituye actúa como un pequeño imán.

2) En paramagnetismo, los átomos o moléculas de la sustancia tienen momentos magnéticos orbitales o espín que son capaces de estar alineados en la dirección del campo aplicado.  Estos, por tanto, tienen una susceptibilidad positiva (aunque pequeña) y una permeabilidad relativa ligeramente mayor que uno.  El paramagnetismo aparece en todos los átomos y moléculas con electrones desapareados; es decir; átomos libres, radicales libres y compuestos de metales de transición que contienen iones con capas de electrones no llenas.

También ocurre en metales como resultado de momentos magnéticos asociados a los espines de los electrones de conducción.

                                                          Interacción del viento solar con el campo magnético de la Tierra y consecuencias.

El campo magnético terrestre presente en la Tierra no es equivalente a un dipolo magnético. sino que  presenta otro tipo especial de magnetismo. Es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y está presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol.

Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos (orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.

3) En sustancias ferromagnéticas, dentro de un cierto rango de temperaturas, hay momentos magnéticos atómicos netos, que se alinean de forma que la magnetización persiste después de eliminar el campo aplicado.

Por debajo de una cierta temperatura, llamada el punto de Curie ( o temperatura de Curie), un campo magnético en aumento aplicado a una sustancia ferromagnética causará una magnetización creciente hasta un valor máximo, llamado la magnetización de saturación.  Esto es debido a que una sustancia ferromagnética está constituida por pequeñas regiones magnetizadas (1-0,1 mm de ancho) llamadas dominios.

El momento magnético total de la muestra de sustancia es el vector suma de los momentos magnéticos de los dominios constituyentes.  Dentro de cada dominio los momentos atómicos individuales se alinean espontáneamente por fuerzas de intercambio, que dependen de si los espines de los electrones atómicos son paralelos o antiparalelos.

Sin embargo, en un trozo no magnetizado de material ferromagnético los momentos de los dominios no están alineados; cuando un campo externo es aplicado, esos dominios que están alineados con el campo aumentan de tamaño a expensas de otros.

En un campo muy intenso todos los dominios se alinean en la dirección del campo y producen la alta magnetización observada.  El hierro, el níquel, el cobalto y sus aleaciones son ferromagnéticos.  Por encima del punto de Curie, los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos.

Como hemos podido ver el paramagnetismo se parece al ferromagnetismo pero es mucho más débil. Metales como el aluminio o el wolframio son paramagnéticos. Con estos datos es realmente fácil entender cómo funciona un detector de metales. un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán casero con nuestro cable) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera

El paramagnetismo se parece al ferromagnetismo pero es mucho más débil. Metales como el aluminio o el wolframio son paramagnéticos.

Con estos datos es realmente fácil entender cómo funciona un detector de metales. un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán casero con nuestro cable) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera un campo magnético. Este campo magnético atrae a los materiales ferromagnéticos, repele a los antiferromagnéticos y a los diamagnéticos y atrae aunque de una forma más sutil a los paramagnéticos. Cuando el detector “nota” que el campo magnético que genera produce uno de estos efectos pita.

Antiferromagnetismo

Concepto:Cuando el ordenamiento de los momentos magnéticos es en la misma dirección pero en sentidos opuestos, por ejemplo por pares, se produce el denominado antiferromagnetismo.

4) Algunos metales, aleaciones y sales de elementos de transición muestran otro tipo de magnetismo llamado antiferromagnetismo.  Esto ocurre por debajo de cierta temperatura, llamada la temperatura de Néel, a la cual se forma espontáneamente una red ordenada de momentos magnéticos atómicos en la que momentos alternos tienen direcciones opuestas.  No hay, por tanto, momento magnético resultante en ausencia de un campo aplicado.

En el fluoruro de manganeso, por ejemplo, esta disposición antiparalela ocurre por debajo de una temperatura de Néel de 72 K.  Por debajo de esta temperatura, el ordenamiento espontáneo se opone a la tendencia normal de los momentos magnéticos de alinearse con el campo aplicado.  Por encima de la temperatura de Néel la sustancia es paramagnética.

Es una solución sólida intersticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro. Admite hasta un 0,021 % C en solución a la temperatura eutectoide. Es el constituyente más blando del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm² (2,7 MPa). Es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768ºC. A partir de esta temperatura hasta los 910ºC su comportamiento es paramagnético, por lo que antigua y equivocadamente se le creyó otra fase denominándosele hierro beta.

La morfología y estructura granular de la ferrita es muy variada pudiéndose encontrar hasta 24 términos descriptivos de la misma. Sin embargo, son dos las morfologías que conviene destacar (Fig. 1): Morfología equiaxial y (fig. 2): estructura de Widmanstätten.

Ferritas: La morfología equixial corresponde a granos poligonales de ejes aproximadamente iguales, que resultan a veces atacados diferentemente en función de su orientación cristalográfica respecto a la superficie de observación.

En la estructura Widmanstatten un enfriamiento rápido desde altas temperaturas obliga a un crecimiento de la ferrita según ciertas direcciones preferenciales, resultando granos alargados en dichas direcciones del grano de austenita previo.

Una forma especial de antiferromagnetismo es el ferrimagnetismo, un tipo de magnetismo mostrado por las ferritas (arriba figuras 1 y 2).  En estos materiales, o bien los momentos magnéticos de los iones adyacentes son antiparalelos y de intensidad desigual, o bien el número de momentos magnéticos en una dirección es mayor que el número de los que hay en la dirección opuesta.

Mediante una adecuada elección de los iones de tierra raras en las redes de ferrita es posible diseñar sustancias ferrimagnéticas con magnetizaciones específicas para su uso en componentes electrónicos.

Si nos queremos referir al geomagnetismo, estaremos hablando de la ciencia que estudia el campo magnético terrestre.

                                         Campo magnético terrestre

¿Cuántas reprersentaciones no habremos visto del campo magnético de la Tierra?

Si una barra de imán es suspendida en cualquier punto de la superficie terrestre, de forma que se pueda mover libremente en todos los planos, el polo Norte del imán apuntará en una dirección aproximadamente al Norte.  El ángulo (D) entre la dirección horizontal a la que apunta y el meridiano geográfico en ese punto se llama la declinación magnética.  Se toma positiva al Este del Norte geográfico y negativa al Oeste.  La aguja no estará horizontal salvo en el ecuador magnético.  En todos los demás lugares formará un ángulo (/) con la horizontal, llamado la inclinación magnética.

En todos los polos magnéticos /= 90° (+90° en el polo Norte, -90° en el polo Sur), y la aguja será vertical.

Las posiciones de los polos, que varían con el tiempo, eran en los años setenta aproximadamente 76, 1 ° N, 100° W (N) y 65, 8° S, 139° E (S).  El vector intensidad F del campo geomagnético se determina por I, D y F, donde F es la intensidad magnética local del campo medida en gauss o tesla, o lo que es igual a: 1 gauss: 10^-4 teslas). F, I y D, junto con las componentes vertical y horizontal de F y sus componentes Norte y Este, son llamados los elementos magnéticos.

Lo cierto es que, ese fenómeno natural creado por la física de la Tierra, nos permite estar aquí, a salvos de la miríada de partículas nosivas que nos podrían caer encima y destruirnos, el campo magnético y la capa de ozono nos preserva de la lluvia nosiva para la que, de momento, no hemos encontrado muchas soluciones, sino, que le pregunten a los astronáutas que visitan el espacio exterior y se exponen a todo tipo de radiaciones.

Esta explicación del geomagnetismo, podría ser más larga y completa, con muchos más datos técnicos y matemáticos.  Sin embargo, ¿ a quien le gustaría ? A eso me refería cuando decía: “… primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico.   No siempre lo consigo.” Si a continuación pongo un ejemplo práctico y explico el magnetismo de manera muy técnica y completa estoy seguro que aburriría a todos, así que mejor lo dejamos así.

Los campos electromagnéticos artificiales perturban el magnetismo natural terrestre y el cuerpo humano sufre cambios de sus ritmos biológicos normales pudiendo sucumbir a diferentes enfermedades. Por tal motivo, en algunos centros de trabajo (el LHC, por ejemplo), en algunas circunstancias se toman medidas especiales para evitar tales influencias.

El lector de ciencia no iniciado, no quiere estas complejidades que, por muy perfectas que puedan resultar técnicamente hablando, siempre les resultaran aburridas, tediosas y lo que es peor, incomprensible. Recuerdo aquel amigo escritor de ciencia que me decía: “Cada ecuación que pongo en un libro me quita diez lectores”.

Los buenos escritores-divulgadores de la ciencia, deben contar los fenómenos naturales revistiéndolos de un atractivo y misterioso halo mágico que se desvela ante sus ojos produciéndoles asombro y sorpresa ante tales maravillas.

Incluso la caída de una gota de agua, observada al microscopio electrónico, puede resultar una auténtica maravilla. Ahí, aunque parezca mentira, también está presente el magnetismo y, la figura que podeis contemplar llena deextraña belleza, es una de las tantas obras que na Naturaleza puede crear y que no siempre los humanos podemos comprender. ¿Será casualidad ese corazón que ha surgido como por arte de magia?

Si contamos la historia de una estrella, desde que nace a partir del gas, el proceso que sigue hasta convertirse en otro objeto estelar diferente, al oyente, le resultará atractivo o pesado, interesante o incomprensible, según quien y como lo cuente.

Nace una de las mayores estrellas de la Vía Láctea. La ESA nos presenta los primeros hallazgos del Telescopio Herschel, lanzado hace ahora 1 año. En la Imagen, podemos contemplar como, en las densas nebulosas moleculares de hidrógeno se están ionizando las partículas al ser bombardeadas por la radiación proveniente de la nueva estrella que trata de nacer en esa especie de burbuja de celeste aún desvaido que irá, tomando fuerza a medida que se consolide como protoestrella y comience a radiar fuertemente en ultravioleta de cuyos vientos solares se verá, esas regiones transformadas.

Imagen de una estrella en formación dentro de la Nebulosa

Me preocupa, cuando escribo, que lo que estoy contando pueda aburrir al posible lector.  En mi caso, que no superviso de manera previa mis pensamientos y tal como nacen los escribo, es posible que en alguna ocasión mis escritos aburran, pero nunca ha sido mi intención y, si así ocurre, pido disculpas.

emilio silvera

Ya me gustaría contemplar, como contemplo la de arriba, a nuestra Galaxia, La Vía Láctea

Sólo en nuestra Galaxia existen más de 100.000 millones de estrellas. El Universo está poblado por cientos de miles de millones de Galaxias cuyo promedio es de 100 mil millones de estrellas cada una. En cada galaxia existen miles de miles de millones de soles con sus planetas, lo que supone una cantidad enorme de mundos. ¿Podemos pensar que de entre cientos y cientos de miles de millones de planetas, solo la Tierra alberga la vida inteligente? Parece algo pretencioso, ¿no te parece?

   Si nos asomamos al pasado y al presente, veremos que múltiples formas de vida han poblado el planeta. Ahora, solo el 1 por 100 de todas las especies que vivieron en nuestro planeta existen y, son millones las que disfrutan de este planeta con nosotros ¿cuántos miles de millones habrán desaparecido? El registro fósil no puede facilitarnos la respuesta a esa pregunta.

El Universo está lleno de vida que se aparece en mil formas diferentes, unas inteligentes y otras vegetativas, de distintas morfologías e incluso distintas en sus componentes básicos que, a diferencia de la nuestra, basada en el carbono, aquellas podrán tener u origen vital en el silicio o vaya usted a saber de qué componentes podrían estar formadas y si han dado origen a civilizaciones inteligentes que ni podemos imaginar.

No tenemos que asombrarnos de nada, nosotros mismos, de seguro asombraríamos a una raza inteligente que nos pudiera observar y viera que la patente n° 6.754.472, ha sido concedida a Microsoft y ampara los mecanismos o procedimientos para “transmitir datos y energía utilizando el cuerpo humano”.  Se trata, según aparece, de aprovechar la conductividad de la piel para conectar una serie de dispositivos electrónicos por todo el cuerpo.

EL MICROCHIP EN EL CUERPO HUMANO Por más prácticas que sean las tarjetas comunes al microchip pueden ser siempre robadas, perdidas o dañadas. Ahora los grandes financieros presentaron la última solución: ligar físicamente a la persona con su carta, de modo que no haya posibilidad alguna de perderla. El microchip no estará más inserto en una tarjeta plástica, sino implantado directamente en el cuerpo humano, bajo la piel, como se hace actualmente con los animales con fines identificatorios. Se puede así saber a cada momento dónde se encuentra el animal, gracias a los satélites y a las antenas celulares. Pero, si esto sigue así, ¿dónde queda nuestra supuesta libertad?

Además, muchos tratan de apagar esta llama de la libertad y del libre pensamiento. Hay que dejar transcurrir, dentro de una dinámica lógica del pensamiento que, las ideas fluyan y los proyectos se plasmen.

Con certeza no sabemos hasta dónde podremos llegar. Sin embargo, por el camino emprendido…da un poco de miedo pensarlo.

Me viene a la mente una escena futurista en la cual, una raza avanzada, conecta un dispositivo metálico en la sien de un humano y, en una pantalla, aparecen las imágenes de sus recuerdos. Sí, pueden parecer exageraciones, pero a mí particularmente, me parecen escenas cotidianas de cualquier día del siglo XXIII.

Es increíble lo que puede desarrollar la mente humana y, sus logros, no parece que puedan tener barreras.  En cada época aparece un científico que mejora los descubrimientos de sus antecesores, así ocurrió con Newton y Einstein, por ejemplo.

El Lago de Comoestá en Lombardía en las provincias de Lecco y Como y a unos 199 metros sobre el nivel del mar. Mide 142km2 y tiene 416 metros de profundidad, lo que lo hace uno de los lagos mas profundos de Europa y el tercer lago mas grande de Italia.

Lorentz en 1927

En su enunciado Bohr dijo que quería resolver las diferencias insalvables que había entre la descripción clásica de los fenómenos físicos y la descripción cuántica.  La diferencia fundamental (dicho en plan coloquial) era que la Física clásica creía en la realidad de los fenómenos, mientras que la cuántica pensaba que el estado del sistema depende del observador. Puso como ejemplo la naturaleza de la luz.

¿ Es una onda o una partícula ? Son las dos cosas, siempre dependiedo del momento y del cómo la observemos.

Para explicar los fenómenos de interferencia hay que considerarla onda, pero para explicar la interacción entre radiación y materia, conviene considerarla corpúsculo.  Bohn propuso su “Principio de complementariedad”.  El fenómeno depende del sistema de observación y, en último término, la realidad no sería más que el resultado de todos los sistemas posibles de observación.

Muchos años después, Richar Feynman, con su contundencia habitual dijo: “La dualidad de la luz es el único misterio de la Física”. Bueno, añadió otra cosa: “La teoría cuántica está simplemente más allá de cualquier explicación”.

A partir del Congreso de Como, todos los físicos (menos Einstein) se hicieron Kartianos.  Recordad que Kant había separado la “cosa en sí” de las cosas tal y como aparecen en nuestro conocimiento, es decir, de los fenómenos.  Nosotros sólo podemos conocer los fenómenos, nunca las cosas tal como son en realidad.  Esto ha suscitado muchas disputas entre los físicos, que no saben si la realidad sometida al Principio de complementariedad es la última realidad, o hay otra más real por debajo, escondida allí donde no podemos verla.  Es interesante seguir el proceso de invención de ese Principio, porque demuestra una vez más que un científico no llega a una teoría por un procedimiento racional, sino por una especie de golpe - intuición que salta en su cerebro y le sugiere la solución ¿ Saltará en mi cabeza por fin el secreto de las fluctuaciones de vacío en esa dichosa quinta dimensión, donde está escondida la materia oscura ?

Se ha dicho que el Amor es instinto y cultura pero, también es locura y desenfreno, es ver lo que no hay y obviar lo que está a la vista, es como entrar en otro mundo sin salir de este nuestro y, el enamorado, está dotado de un “algo espacial” que puede ver en su amada, cosas que nadie puede…¡El Amor!, o, ¿El motor del mundo?

Jerome Bruner, un avispado psicólogo del pasado siglo, contó una conversación que había mantenido con Bohr acerca de la complementariedad del pensamiento y la emoción. El físico le confesó que su Principio se le había ocurrido meditando sobre si debía castigar o no a su hijo que había hecho una trastada.  “Me di cuenta de que no se puede juzgar al mismo tiempo a la luz del amor y a la luz de la justicia”.  En fin, había caído en el mismo problema en que se habían enfrascado los teólogos medievales al preguntarse si Dios podía ser a la vez justiciero y misericordioso. Simplemente, a Bohr le ocurrió como a tantos otros que, cuando el problema les toca de cerca, la objetividad se evapora, el sentido de la justicia decrece y, deja de tener la capacidad de decidir. Lo que nos pasa a todos.

¡Valiente personaje! Muchas veces el querer destacar hace que se pierdan…valores

¡Valiente personaje! el tal Shabriar S. Afshar, quiere mandar a Einstein al rincón de los castigados y eliminar al fotón. algunos no tienen límite a la hora de conquistar un poco de notoriedad. Ahí está en hombre ante los micrófonos para decir sus…¿tonterías?

Todo esto viene a cuento porque cuando escribí esto, acababa de leer un artículo sobre un tal Shabriar S. Afshar y sus experimentos en el Institute for Radiation Induce Studies (Boston).  Este señor, cree haber encontrado, o mejor, dice haber demostrado que Borh estaba equivocado.  Dicho más técnicamente, se puede seguir el rastro de un fotón sin alterar el patrón de interferencias.  Considera que la realidad tiene propiedades definidas y evaluables.

Pero da un paso más.  Entre el fotón y la onda, escoge la onda.  Más aún, piensa que si el resultado de sus experimentos se repite usando otras partículas, es la mecánica cuántica entera la que está en dificultades.  Y ya en el disparadero, obtiene una última consecuencia.  Si el fotón no existe, habría que retirarle a Einstein el Premio Nobel que ganó en 1.921.

Desde luego algunos no se paran en barra a la hora de ganar notoriedad, y, además, siempre encuentran una cohorte de acólitos que están dispuestos a seguirles.  Llama la atención el editorial que ha publicado “New Scientist”.  Reconociendo que los experimentos de Afshar tienen que ser corroborados, sin embargo, aplaude fervorosamente su intento.  “La ortodoxia cuántica ha sido aceptada durante demasiado tiempo sin cuestionar su autoridad.  Afshar, continúa, sigue el mejor camino de la tradición científica: explorar los misterios, no oscurecerlos.

Es increíble la cancha que le dan al tal Afshar, me gustaría saber qué dicen los físicos al respecto. Claro que, los medios, siempre que el asunto (¡”la noticia”!) sea escandalosa y polémica…están encantados para ganar audicencia.

¿ Tendremos que cantar el réquiem por el fotón ? ¡No! Eso iría en contra de la realidad física del mundo en el que vivímos. Gracias al cuanto de luz que llamamos fotón, podemos ver todo lo que nos rodea. Sería un auténtico contratiempo, yo estoy encariñado con él. Está claro que es la condición humana, siempre estaremos dispuestos para hacerles la puñeta a los otros.  ¡ Mira que pretender quitarle a Einstein el Nobel !   ¡ Sí, el que le dieron por su trabajo del Efecto Fotoelectrico ! Hay veces en las que está bien tomarse las cosas desde el punto de vista más distendido y coloquial, no siempre podemos estar tan serios.

La ironía es otro de los aspectos inteligentes de nuestra mente, es una vía de escape para evitar tensiones innecesarias.

Son tantas las pruebas y los exámenes que ha pasado con éxito la Mecánica Cuántica que, lo de ese tal Afshar, me parece una broma.  El cuanto de energía de Planck como punto de partida, desarrolló un sistema de teoría cuántica que se utilizó para explicar las propiedades de los átomos y moléculas, donde ese “cuanto” era el punto de partida.  Se incorporó el principio de indeterminación de Heisemberg y la longitud de onda de De Broglie para establecer la dualidad onda-corpúsculo, en la cual está basada la ecuación de Schrödinger y su función de onda.  Esta forma de mecánica cuántica se llama mecánica ondulatoria.  Un formalismo alternativo, pero equivalente, es la mecánica matricial, basada en operadores matemáticos.

Así que, la ecuación de Einstein Sabiendo todo esto, y conociendo algo de las bases sobre las que opera la mecánica cuántica, la pretensión de ese tal Afsbar, me parece muy pretenciosa y algo ridícula, además de osada e impertinente ¿ No sabe que en boquita cerrada no entran moscas ?   Que demuestre primero y hable después.

E_m=hf-ø donde la energía cinética máxima está dada precisamente por esta ecuación, según el tal Afshar, es una falsa. ¡ Que tío !

Creo haberle dedicado más tiempo del necesario a este comentario, así que pasaremos a otra cosa.

El fotón, neutrino, electrón, protón, neutrón, muón, tau, kaón, sigma, omega, W y X, gluón, quarks, gravitón, etc, son nombres muy familiares y, cada uno de ellos nos trae una imagen o un recuerdo a nuestras mentes que, los asocia a aquello de o que forma parte en las diferentes familias de partículas y la función que cada una de ellas tiene encomendada en el universo infinitesimal de lo muy pequeño.

El fotón es el cuanto de luz, radiación electromagnética de una longitud de onda comprendida entre 380 y 780 mm, que produce percepción visual.  Se define como el producto de visibilidad por el poder radiante, sinedo éste último la intensidad de propagación de la energía radiante.

El fotón, como partícula, con masa en reposo nula que corre el espacio vacío a 299.792.458 metros por segundo, puede ser considerado como una unidad de energía igual a hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la radiación en hertzios.  Son necesarios para explicar el fenómeno fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula.

Hay cosas que te hacen sonreir. La “Reflexología Celular por Estimulación Fotónica”, que se vende a 200€ la sesión, asegura un rápido exito en acabar con el tabaquismo, asegurando que aplica la física para conseguir desengancharse del tabaco. Sin embargo, analizando las bases de la supuesta revolución médica no encontramos más que pura charalatanería típica de cualquier remedio mágico.

No pocas veces se utiliza la física y sus términos para que, unos aprovechados, saquen partido aunque sea a base de “estafar” con falsos anuncios -que los medios no tendrían que admitir- a personas que están con problemas de todo tipo. Y, por ejemplo, el problema que arriba se menciona (tabaquismo), tiene una sóla solución quen está en nosotros mismos, es la mente la única medicina. La voluntad de no seguir fumando.

                                 Fotoquímica y Fotografía

           La luz está siempre presente en nuestras vidas (aunque sea de noche)

De la luz, nos podríamos estar hablando horas y horas, de sus propiedades en fotónica, fotoquímica, fotosfera y otros muchos ámbitos del saber humano con la luz relacionados, como por ejemplo, la claridad luminosa que irradian los cuerpos en combustión, ignición o incandescencia y miles de ejmplos más que nos llevan al convencimiento de que la luz, es muy importante en nuestras vidas. Entre otras cosas, hace posible que podamos ver los objetos sobre los que inciden los fotones para hacerlo posible.

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Newton nos descubrió que la luz del Sol o luz blanca, era el producto de la mezcla de todos los componentes coloreados, hizo pasar un rayo de luz por un prisma y, la habitación donde hacía el experimento, sus paredes, se llenaron de luciérnagas luminosas de muchos colores, el arcoiris estaba allí, del rojo al violeta, descompuestos en mariposas luminosas.

Aunque el tema de la luz me fascina, n quiero repetirme, y, hace poco, en uno de mis últimos trabajos, traté ampliamente el tema.  El estado natural (último) de la materia, no será sólido, líquido, gaseoso, plasma o materia oscura, el estado final de la materia, cuando pase por todas las fases y trascienda a un estado superior de conexión total con el Universo, será la LUZ.  Ahí, dentro de los rayos luminosos, estarán gravados todos los recuerdos, toda la conciencia de la Humanidad que, para entonces, será otra cosa y, sonreirá al ver que un día muy lejano, discutían de Espacio – Tiempo, de Materia, de Vacío, de Energía, de………¿materia oscura?, de Masa…

 Si hablamos de neutrinos, estaremos hablando de Leptones

Tenemos que tener en cuenta que la fuerza  que lo liga al núcleo es enorme y no existe  físicamente entre los materiales conocido, es una fuerza ATOMICA DE ATRACCIÓN ETRE CARGA ELÉCTRICAS  POSITIVAS Y NEGATIVAS, es decir, entre el protón y el electrón. Sin la existencia del electrón, a pesar de su pequeñez es importantísimo, no podría existir… el

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El electrón es la partícula principal de la familia y está presente en todos los átomos en agrupamientos llamados capas electrónicas alrededor del núcleo.  Tiene una masa en reposo (m_e) de numeración 9,1093897(54)X10^-31 Kg y una carga negativa de 1,602 17733(49)x10^-19 culombios.  La antipartícula es el positrón que, en realidad, es copia exacta de todos sus parámetros, a excepción de la carga que es positiva.

La familia de Leptones esta formada por:

Electrón (e¯ )  muón ( μ ) tau  ( τ) -todos tienen sus partículas contrarias como por ejemplo, el positrón para el electrón. y están acompañadas por sus respectivos neutrinos.

Neutrino electrónico (ν)  Neutrino múonico (vμ) y canónico (v_T)

Si el electrón se considerara como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades de la ecuación de Lorentz-Dirac.  Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio r_o‘ llamado el radio clásico del electrón. El electrón es muy importante en nuestras vidas, es un componente insustituible de la materia y los átomos que son posibles gracias a sus capas electrónicas alrededor de los núcleos positivos que se ven, de esta forma equilibrados por la energía igual, negativa, de los electrones.

Los protones están entre las partículas más comunes. junto a los neutrones, quienes forman los núcleos de cada átomo  que hay en el Universo. Pese a su cotidianidad, los protones aún representan un msiterio para los físicos nucleares, añade dice Randolf  Pohl, investigador del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, y autor del artículo de Nature. “No comprendemos gran parte de su estructura interna”, comenta.

Parece que los protones son un pequeño punto de carga positiva, pero al estudiarlos de cerca, resulta ser una partícula más compleja. Cada protón está formado de partículas fundamentales menores, llamados quarks, y esto hace que su carga esté aproximadamente extendida sobre un área esférica.

Los físicos pueden medir el tamaño de un protón observando cómo los electrones interactúan con un protón. Un único electrón orbitando un protón puede ocupar sólo ciertos niveles discretos de energía, los cuales se describen a través de las leyes de la mecánica cuántica. Algunos de esos niveles de energía dependen en parte del tamaño del protón, y desde la década de 1960, los físicos han realizado cientos de medidas del tamaño del protón con una asombrosa precisión. Las estimaciones más recientes, realizadas por Sick usando datos anteriores, colocan el radio del protón alrededor de los 0,8768 femtometros (1 fentómetro = 10^-15 metros).”

Los átomos están formados por un núcleo que conforman los nucleones (protones y neutrones) que, a su vez, están formados por Quarks que son confinados por los Grluones, la partícula mediadorade la fuerza fuerte. Ese núcleo está ropdeado de electrones para el que átomo quede conformado y, su estabilidad está asegurada al tener los protones carga positiva que es igual en fuerza a la negativa de los electrones. Los átomos se enlazan formando moléculas y estas a su vez macromoléculas como la doble esperiral de ADN.

Los protones, como los neutrones, son de la familia de los Hadrones.  El protón es una partícula (no elemental) que tiene carga positiva igual en magnitud a la del electrón y posee una masa de 1,672614×10^-27 kg, que es 1836,12 veces la del electrón.  El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso, junto al neutrón, también son conocidos como nucleones.

La familia de los Hadrones es la clase de partícula subatómica que interaccionan fuertemente, e incluye protones, neutrones y piones.  Los hadrones son o bien bariones, que se desintegran en protones y que se cree están formados por tres quarks, o mesones, que se desintegran en leptones o fotones o en pares de protones y que se cree que están formado por un quark y un antiquark.

La materia bariónica, es la que forman planetas, estrellas y Galaxias, y la pódennos ver por todas partes.  Nosotros mismos estamos hechos de Bariones.  La otra materia, esa que no podemos ver y que, nuestra ignorancia nos ha llevado a llamar oscura, esa, de momento no sabemos lo que es.

Las partículas conocidas como bosones: fotón, gluón,gravitón, partícula W⁺ W^- y Z^° son las que median en el transporte de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. El Fotón, transporta el electromagnetismo, la luz.  El Gluón, transporta la fuerza nuclear fuerte que se desarrolla en el núcleo del átomo.  El Gravitón (aún por localizar), nos trae y nos lleva la Gravitación Universal, haciendo posible que nuestros pies estén bien asentados sobre la superficie del planeta. Y, por último, las partículas W y Z, responsables de la radiación natural y espontánea de algunos elementos como el Uranio.

                        El hombre no dejará de valerse de todos los medios a su alcance para desvelar los secretos de la Naturaleza

Este pequeño repaso a modo de recordatorio, es algo inevitable, si hablamos de materia, las partículas se nos cuelan y, como si tuvieran vida propia (que la tienen), nos obliga a hablar de ellas, lo que, por otra parte no esta mal. Como la única verdad del Universo es que todo es lo mismo, sino que, en cada momento, cada cosa ocupa su lugar exacto, resulta que, al final, se hable de lo que se hable, aunque sea de la conciencia y del ser, venimos a parar al mismo sitio: El Universo, la materia, la luz, el tiempo…….

Parece mentira como a veces, cuando estoy inmerso en mis más profundos pensamientos, y tengo una conexión directa con algo que instruyo superior, lo veo todo más claro, todo es más fácil.  Haber si en uno de estos momentos puedo enganchar esas fluctuaciones de vacío en la 5ª dimensión.  Me parece que debe estar cerca, ronda mi cabeza, me induce ideas nebulosas y se van corriendo a sumergirse en las neblinas de mi ignorancia.

¡ Ya veremos en que desemboca todo esto !

emilio silvera

La exploración del ámbito de las Galaxias extendió el alcance de la visión humana en un factor de 10²⁶ veces mayor que la escala humana, y produjo la revolución que identificamos con la relatividad, la cual reveló que la concepción newtoniana del mundo sólo era un parroquialismo en un Universo más vasto donde el espacio es curvo y el tiempo se hace flexible, dónde la materia es energía congelada y, donde el tiempo está unido irremisiblemente al espacio.

La exploración del dominio subatómico nos llevó lejos en el ámbito de lo muy pequeño, a unos 10^-15 de la escala humana, y también significó una revolución. Esta fue la Física Cuántica que surgió a partir de la semilla que sembró Max Planck, en 1900, cuando comprendió que sólo podía explicar lo que se llamaba curva del cuerpo negro –el espectro de energía que genera un objeto de radiación perfecta- si abandonaba el supuesto clásico de que la emisión de energía es continua, y lo reemplazó por la hipótesis sin precedentes de que la energía se emite en unidades discretas que Planck llamó cuantos, derivada de la palabra grecolatina similar, y los definió en términos del cuanto de acción, simbolizado por la letra h. Planck no era ningún revolucionario –a la edad de 40 años era un viejo, juzgado por los patrones de la ciencia matemática y, además, un pilar de la elevada cultura alemana del siglo XIX-, pero se percató fácilmente de que el principio cuántico echaría abajo buena parte de la física clásica a la que se había dedicado durante muchos años su carrera. “Cuanto mayores sean sus dificultades –escribió-…tanto más importante será finalmente para la ampliación y profundización de nuestro conocimiento en la física.” Sus palabras fueron proféticas: cambiando y desarrollándose constantemente, modificando su coloración de manera tan impredecible como una reflexión en una burbuja de jabón, la física cuántica pronto se expandió prácticamente a todo el ámbito de la física, y el cuanto de acción de Planc, h, llegó a ser considerado una constante de la Naturaleza tan fundamental como la velocidad de la luz, c, de Einstein.

El principio cuántico era muy extraño y, a medida que fue evolucionando los físicos pudieron comprobar que era cada vez más extraño y, los resultados que obtenían de la investigación y las pruebas en laboratorio, acompañadas de la parte teórica, cada día les revelaba un nuevo Universo que nada tenía en común con la realidad del día a día en el mundo macroscópico de las cosas.

Nunca podremos saber, al mismo tiempo, dónde está una partícula y hacia donde se dirige. En mismo acto de la observación, puede variar el rumbo original y enviarla por otro camino impredecible. El mundo cuántico ¡es tan extraño! que se aleja de nuestro mundo cotidiano.

La ruptura decisiva con la física clásica se produjo en 1927, cuando el joven físico alemán Werner Heisenberg llegó al Principio de Indeterminación. Heisenberg descubrió que se puede conocer, o bien la posición exacta de una partícula determinada, o bien su trayectoria exacta, pero no ambas. Por ejemplo, Si observamos un protón que atraviesa una cámara de niebla, registrando su trayectoria podemos conocer la dirección en la que se mueve, pero en el proceso de abrirse camino por el vapor de agua de la cámara el protón disminuirá su velocidad, restándonos información sobre dónde estaba en un momento determinado. Alternativamente, podemos irradiar el fotón –tomar una instantánea de él, por decirlo así- y de este modo determinar la situación exacta en un instante determinado, pero la luz o cualquier otra radiación que usemos para tomar la fotografía apartará al fotón de su recorrido fijado, impidiéndonos el conocimiento de dónde habría estado si no hubiésemos actuado sobre él. Por consiguiente, estamos limitados en nuestro conocimiento del mundo subatómico. Sólo podemos tener respuestas parciales, cuya naturaleza está determinada en cierta medida por las cuestiones que optamos por indagar y cómo y qué medios empleamos para ello. Cuando Heisenberg calculó la cantidad mínima ineludible de incertidumbre que limita nuestra comprensión de los sucesos de pequeña escala, halló que está definida nada menos que por h, el cuanto de acción de Planck.

La indeterminación cuántica no depende del aparato experimental empleado para investigar el mundo subatómico, Se trata, en la medida de nuestro conocimiento, de una limitación absoluta, que los más destacados sabios de una Civilización extraterrestre avanzada compartirían con los más humildes físicos de la Tierra. En la física atómica clásica se suponía que se podía, en principio, medir las situaciones y trayectorias precisas de miles de millones de partículas – digamos, protones- y a partir de los datos resultantes hacer predicciones exactas de dónde estarían los protones en determinado tiempo futuro. Heisenberg demostró que tal supuesto era falso, que nunca podemos saberlo todo sobre la conducta de siquiera una sola partícula, mucho menos de una gran cantidad de ellas, y, por lo tanto, nunca podemos hacer predicciones sobre el futuro que sean completamente exactas en todos los detalles. Esto marcó un cambio fundamental en la visión del mundo de la física. Revelaba que no sólo la materia y la energía sino también los conocimientos están cuantizados.

Cuanto más minuciosamente examinaban los físicos el mundo subatómico, tanto mayor parecía la indeterminación. Cuando un fotón choca con un átomo, haciendo saltar un electrón a una órbita más elevada, el electrón se mueve de la órbita inferior a la superior instantáneamente, sin tener que atravesar el espacio intermedio. ¿Por dónde realizó el viaje el electrón? Ese famoso “salto cuántico” trae de cabeza a más de un físico tratando de desvelar el misterio que, de ser al fin descubierto, podría suponer otro enorme avance para la humanidad.

Reacciones de la cadena protón-protón

De la misma manera, como hemos podido leer muchas veces, es en virtud de la indeterminación cuántica como los protones pueden saltar la barrera de Coulomb, permitiendo que la fusión nuclear se produzca a una tasa suficiente para que las estrellas sigan brillando.

Está claro que, la mecánica cuántica choca, con las percepciones de nuestras imágenes mentales que provienen de nuestras percepciones visuales del mundo que nos rodea. Pero el mundo tal como lo perciben nuestros ojos aparece como una ilusión cuando lo examinamos a escala microscópica. Un lingote de oro, por ejemplo, aunque nos parece sólido, en realidad está lleno de espacios vacíos. El núcleo de cada uno de los átomos es tan pequeño que si un átomo fuese agrandado mil billones de veces, hasta que su capa electrónica externa fuese tan grande como Madrid, su núcleo aún tendría el tamaño de un coche mediano aparcado en la puerta de mi Oficina en la calle Palos, 21 Bajo de Huelva.

La revolución cuántica ha sido penosa, pero tenemos que agradecerle que nos haya librado de varias de las ilusiones que afectaban a la visión clásica del mundo y que, en realidad, nos tenía inmersos en un mundo de irrealidades.

Una de estas ilusiones es aquella ilusión de que el hombre es un ser aparte, el supuesto de que está separado por la Naturaleza y que los actos de observación por ende, pueden efectuarse con completa objetividad. Claro que, hoy sabemos que ni somos observadores pasivos detrás de un cristal en un laboratorio, ni que estamos en un nivel diferente de todo lo demás. Nosotros y la Naturaleza somos una misma cosa, ya que, de la Naturaleza venimos y a ella, algún día, tendremos que volver.

La Física cuántica nos obliga a tomar en serio lo que antes era una consideración puramente filosófica: que no vemos las cosas en sí mismas, sino sólo aspectos de las cosas.

¡Nos queda tanto por aprender!

Los aceleradores de partículas son un gran invento que ha permitido comprobar (hasta donde se ha podido, al menos), la estructura del átomo. En el acelerador del Fermilab, por ejemplo, un detector de tres pisos de altura que ha costado unos ochenta millones de dólares capta electrónicamente los “restos” de la colisión entre un protón y un antiprotón. Aquí la “prueba”, el “ver”, consiste en que decenas de miles de sensores generen un impulso eléctrico cuando pasa una partícula.

El Acelerador de Partículas LHC es una Obra inmensa que ha construido el SER Humano para saber sobre la Naturaleza de la materia y…

Todos esos impulsos son llevados a procesadores electrónicos de datos a través de cientos de miles de cables. Por último, se hace una grabación en carrete de cinta magnética codificada con ceros y unos. La cinta graba las violentas colisiones de los protones y antiprotones, en las que generan unas setenta partículas que salen disparadas en diferentes direcciones dentro de las varias secciones del detector.

La ciencia, en especial la física de partículas, gana confianza en sus conclusiones por duplicación; es decir, un experimento en California se confirma mediante un acelerador de un estilo diferente que funciona en Ginebra con otro equipo distinto que incluye, en cada experimento, los controles necesarios y todas las comprobaciones para que puedan confirmar con muchas garantías, el resultado finalmente obtenido. Es un proceso largo y muy complejo, la consecuencia de muchos años de investigación de muchos equipos diferentes.

El Fermilab. en Illinois, como una obra de arte, se exhibe presuntuoso y sabiendo que, desde su construcción por Carlo Rubbia, ha dado muchas alegrias a la Ciencia. Ahora, se anuncia una nueva gran alegría con el encuentro (por fín) del Bosón de Higgs que, según parece ya ha dado señales de su presencia. ¡Un gran paso adelante! en el conocimiento fundamental del Universo y la materia que contiene.

Yo puedo visualizar la estructura interna de un átomo. Puedo hacer que me vengan imágenes mentales de nebulosas de “presencia” de electrón alrededor de la minúscula mota del núcleo que atrae esa bruma de la nube electrónica hacia sí. Puedo ver los átomos, los protones y neutrones y, en su interior, los diminutos quarks enfangados en un mar de gluones.

Claro que, todo eso es posible, por el hecho de que, dicha imagen, me es muy familiar. Creo que cada uno construirá sus propias imágenes conforme él las vea a partir de las ecuaciones o bien de cómo las formó en su mente a partir de sus lecturas o explicaciones oídas en charlas científicas.

¿sabremos algún día lo que hay más allá de los Quarks? Ahora, después del Higgs, se espera que aparezcan las partículas supersimétricas

Cuando entraron en escena David Politzer, de Harvard, y Davil Gross y Frank Wilczek, de Princeton, el panorama de lo que ocurría en el interior del núcleo, se aclaró bastante. Ellos, descubrieron algo que llamaron libertad asintótica. Asintótico significa, burdamente, “que se acerca cada vez más, pero no toca nunca”.

Los quarks, según descubrieron los tres, tienen libertad asintótica. La interacción fuerte se debilita más y más a medida que un quark se aproxima a otro. Esto significa paradójicamente, que cuando los quarks están muy juntos se portan casi como si fuesen libres. Pero cuando se apartan, las fuerzas se hacen efectivamente mayores. Las distancias cortas suponen energías altas, así que la interacción fuerte se debilita a altas energías.

Desde luego es meritorio que los físicos teóricos puedan “imaginar” lo que ocurre dentro de los átomos, en este caso dentro de los protones y neutrones con los Quarks, para llegar a saber que, los Gluones los mantienen confinados porm medio de la fuerza nuclear fuerte.

Esto es justo lo contrario de lo que pasa con la fuerza eléctrica.

Aún más importante era que la interacción fuerte necesitase una partícula mensajera, como las otras fuerzas y, en alguna parte le dieron al mensajero el nombre de gluón (de la palabra inglesa Glue, pegamento).

A todo esto, llegó Murray Gell-Mann con sus quarks para completar el panorama, adjudicó a estas diminutas partículas color y sabor (nada que ver con el gusto y los colores reales) y llegó la teoría denominada cromodinámica cuántica. Todo aquello dio mucho que hablar y mucho trabajo a los teóricos y experimentadores y, al entrar en los años ochenta, se había dado ya con todas las partículas de la materia (los quarks y los leptones), y teníamos las partículas mensajeras, o bosones gauge, de las tres fuerzas, a excepción de la Gravedad.

La familia de los leptones está compuesta por el electrón, muón y tan con sus correspondientes neutrinos.

Así quedó prácticamente completo el llamado modelo estándar que describe las partículas que forman la materia conocida y las fuerzas que intervienen e interaccionan con ellas. La gravedad, quedó aparte en la relatividad general de Einstein.

¿Por qué es incompleto el Modelo Estándar? Tiene algunas ausencias como la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la Gravedad. Otro defecto estético es que no es lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua, de Empédocles. Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar, y, nos buscamos el Bosón de Higgs para explicar la masa de las partículas.

Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la Gravedad que, con enorme simpleza y aplicando principios naturales, trata los temas más profundos del Universo.

Estamos empeñados en llegar a las entrañas de la materia y…¡Lo conseguiremos!

Esperemos que continué desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, todas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al Universo.

Poner aquí toda la historia y sucesos del CERN desdee su nacimiento, sería imposible. Sin embargo, si tenemos que decir que gracias a los aceleradores de partículas fueron descubiertas las corrientes neutras ( en el CERN en 1973) en el Acelerador Lineal (LAL) y utilizando la Gran Cámara de burbujas de líquido pesado .

El descubrimiento de corrientes neutras es uno de los hitos sobresalientes en una década prodigiosa (1967-1976) repleta de importantes descubrimientos experimentales y desarrollos teóricos que modificaron sensiblemente nuestra visión de la estructura última de la materia.

La predicción de la unificación electrodébil en el sector leptónico, el descubrimiento de la dispersión profundamente inelástica en colisiones inducidas por electrones, el descubrimiento de los quarks c y b y del leptón tau, la idea de libertad asintótica y la formulación de la Cromodinámica Cuántica son algunos de los avances más destacables producidos durante aquellos años.

El descubrimiento de los Bosones W+, W- y Zº llegaron de la mano del descubrimiento de las corrientes neutras en el CERN y la medida de su importancia en relación con las corrrientes cargadas, permitió hacer una primera estimación de la masa de estos bosones gauges y quedó establecido, fuera de toda duda, el interés científico de los colisionadores de partículas.

Por aquellos tiempos ya lejanos, ningún colisionador tenía la fuerza necesaria para “fabricar” aquellas partículas. Sería muy largo de contar aquí (sólo una reseña) todo lo que pasó para que llegáramos al punto en que hoy nos encontramos en el tema de los aceleradores de partículas.

El LEP y el Modelo Estándar

El descubrimiento de las correrientes neutras en 1973 y de los bosones vectoriales W+, W- y Zº en 1983, ambos en el CERN, deben ser considerados como las primeras evidencias experimentales decisivas de la validez del sector electrodébil del Modelo Estándar, formulado por Glasow, Weinberg y Salam como una teoría Gauge SU(2)xU(1) con las masas de las partículas generadas por el mecanismo de Higgs.

Estos descubrimientos justificaron el construir un colisionador de electrones y positrones que midiese con precisión las propiedades (estáticas y dinámicas) de los bosones W y Z y estableciese sin ambigüedad la naturaleza mecano-cuántica del Modelo Estándar convertido en Teoría gracias a los trabajos de Veltman y t’Hooft.

Descubrimiento de la violación directa de CP

La idea de simetría CP (C=conjugación de carga, P= Paridad) se introduce en física de partículas a finales de los años 50, poco después del descubrimiento de la violación de simetría P en procesos mediados por la interacción débil (desintegraciones nucleares Beta), y postula que las partículas dextrógiras se comportan de la misma forma que las anti-partículas levógiras.

Partículas de materia y antimateria, son iguales si exceptuamos las cargas

En 1964 J. Cronin y V. Fitch observaron en un estudio experimental de los mesones extraños Kº realizado en BNL una pequeña pero significativa violación de este principio de simetría. El intento de explicar este efecto extremadamente sutíl condujo a la predicción teórica de que el número de quarks debería ser 6, en lugar de los 3 identificados hasta la fecha.

Casi simultáneamente A. Saharov argumentó a favor de incluir la violación CP en la lista de condiciones necesarias para explicar el observado déficit de antimateria en el Universo a partir de las leyes de la microfísica.

Llegamos al LHC del que tanto se habló, se habla y se hablará. La consagración del Modelo Estándar, como resultado de las medidas de precisión realizadas en el LEP durante el período de 1989-2000, ilustran los dos caminos que han protagonizado el avance en la física de partículas en éstas últimas décadas:

1. La exploración directa de nuevas regiones de energía en búsqueda de nuevos fenómenos y,
2. El estudio de alta precisión de las propiedades de las partículas elementales y de las fuerzas fundamentales ya establecidas.

Estas dos líneas de actuación son, en buena medida complementarias y, como ha demostrado la experimentaciópn en LEP, las medidas de precisión a una determinada energía permiten vislumbrar que clase de fenómenos aparecerán a más altas energías y anticipar las regiones de interés.

LEP ha anticipado con claridad que el Bosón de Higgs del Modelo Estándar es una partícula ligera, de masa probablemente inferior a 250 GeV. También sugirió la escala de 1 TeV como umbral muy probable para la puesta de manifiesto de una nueva fenomenología que podría incluir partículas supersimétricas, tecnicolor, dimensiones extras o supergravedad a bajas energías, entre otras fascinantes propuestas de la Nueva Física.

Muchos científicos repartidos por todo el mundo están examinando imágenes como esta, están a la caza del Bosón de Higgs, no podemos saber aún, si en los experimentos llevados a cabo ha podido aparecer la misteriosa partícula que se supone le da la masa a las demás partículas. Si aparece, el Modelo Estándar ganará y será más completo y fiable.

Esa es la razón de ser del LHC, el colisionador protón-protón a 14 TeV en el centro de masas e interacciones plomo-plomo a 1 300 TeV en el centro de masas. Existe la firme convicción de que el LHC establecerá la naturaleza de la observada rotura de la simetría electrodébil (el mecanismo de Higgs frente a otras altrernativas), dilucidará la posible existencia de partículas supersimétricas -o de otro tipo- así como de nuevas interacciones, pondrá de manifiesto el desconfinamiento de los quarks y la transición de fase hadrones-plasma de quarks y gluones y ayudará a profundizar en el conocimiento de los sabores pesados (quarks botton y top) y en procesos mediados por violación de la simetría CP.

Todos estos resultados tendrán una enorme influencia en los campos de la Astrofísica y la Cosmología y seguramente ayudará a desentrañar el misterio de la materia oscura y de la propia existencia de la materia bariónica (asimetría materia-antimateria).

En definitiva, con el LHC se inicia el asalto, tal vez defintivo, a algunas de las cuestiones y desafios intelectuales más fundamentales en investigación básica que, nos traerá unos conocimientos esenciales para el porvenir de la Humanidad en un futuro muy próximo.

emilio silvera

Un día de 1.900, se publicó un artículo de ocho páginas que sentaron las bases de la Mecánica Cuántica. Su autor, Max Planck, cambió conceptos clásicos para traernos una nueva visión del universo infinitesimal (10^-35 m.)a una distancia conocida como límite de Planck,  más allá de donde los Quarks están confinados en tripletes formando protones y neutrones y la fuerza nuclear fuerte tiene su dominio y se deja sentir a través de los bosones portadores, los Gluones.

Planck, nos habló del “cuanto” de acción h, y nos dijo que la energía se transmite en paquetes de manera discontinua. Aquello, asombró al mundo y el mismo Planck fue consciente de que, sus creencias sobre la Física, a partir de ese momento, serían otras.

Inspirado en el trabajo de Planck, Albert Einstein desarrollo un trabajo sobre el “Efecto Fotoeléctrico ” – que le valió el Nobel de Física de 1.921 – y, contribuyó de manera activa al desarrollo de la Mecánica Cuántica que, más tarde, combatió.

                                           Hoy los grandes aceleradores como el LHC y el Fermilab, llegan hasta las entrañas de la materia

Llegaron nuevos Físicos como Werner Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Feynman y otros que, desarrollaron lo que hoy conocemos como Mecánica Cuántica. Heisenberg con su Principio de Incertidumbre nos demostró que no podíamos saberlo todo al mismo tiempo. Si queremos conocer la situación de un electrón y para ello utilizamos un microscopio electrónico, el mismo hecho de su utilización transformará el medio observado, ya que, los fotones enviados por el microscopio cambiarán la dirección de dicho electrón. De esta manera, podemos saber dónde está, pero no sabremos a donde se dirige.

Schrödinger, con su función de onda, nos dio una buena herramienta para buscar la partícula mediante un sistema de alta probabilidad de su situación.

La Mecánica Cuántica ha alcanzado unas cotas increíbles de consistencia y experimentalmente, es una de las teorías más acreditadas. Sin embargo, mi parecer es que siendo una herramienta muy útil para los Físicos, no es la definitiva, en un futuro próximo tendremos muchas sorpresas de la mano del LHC que en el próximo año nos dará alguna alegría importante para el mundo de la Física.

El otro gran pilar en el que se apoya la Física, se llama Relatividad Especial. Todos sabéis lo que fue para la Física el año 1.905. Esa primera parte de la teoría relativista de Einstein, nos legó conocimientos muy importantes, tales como que un objeto viajando a velocidades cercanas a la de la luz aumenta su masa o que el hipotético viajero de una nave espacial que viaje a ésas velocidades relativistas, habrá conseguido ralentizar su tiempo. El tiempo pasa más lento cuando la velocidad es grande. Y, el otro logro importante que fue resumido en la ecuación más famosa de la historia de la Física, fue el hecho de descubrir que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa. E=mc2 ¡cuánta belleza y profundidad expresado en tan poco espacio!

                                                  Incluso a velocidades relativistas tardaríamos muchos en desplazarnos por estos lugares.

La Humanidad ha conseguido logros increíbles en el campo de la Física, siempre acompañada de las matemáticas, han llegado a dejar al descubierto cuestiones misteriosas y muy bien escondidas en lo más profundo de la materia y de las fuerzas fundamentales que interaccionan con ella.

Ahora nos podemos plantear preguntas que nadie sabe contestar e incluso algunas que no sabemos ni plantear, nos faltan conocimientos para hacer tales preguntas. Sin embargo, en el futuro, las respuestas llegarán. ¿Cómo podría haber preguntado Pitágoras por el significado de  m=E/c2 (E=mc2), si Einstein nació más de 2.000 años más tarde?

De la misma manera estamos hoy haciendo preguntas o formulando teorías que no pueden ser contestadas o comprobadas. La energía de Planck (10 con exponente 19 GeV) nos vendría muy bien para poder comprobar la teoría M que ha unificado todas las teorías existentes sobre la teoría de cuerdas. Sin embargo, nuestra civilización actual no tiene la posibilidad de alcanzar dicha energía y habrá que esperar mucho tiempo para que eso sea posible.

                                                   Todavía observamos sucesos y vemos objetos en el Universo que no sabemos explicar

No podemos dejar por ello de continuar de trabajar en ese campo de las cuerdas, es prometedor e ilusionante, allí, en las más altas dimensiones, parece que es posible hermanar a la Mecánica Cuántica y a la Relatividad General. Esta teoría nos promete por fin una teoría cuántica de la gravedad.

Puede parecer ciencia ficción hablar y exponer hechos y conceptos que no pueden ser demostrados, sin embargo, Einstein esperó largos años con su teoría de la Relatividad General bien asentada en su cabeza, sin poder exponerla al mundo por no tener las matemáticas necesarias para ello, y, cuando su amigo Marcel Grossman, al que había pedido ayuda, le envió algunos documentos entre los que se encontraba la famosa Conferencia de Riemann, Einstein quedó paralizado ante el Tensor Métrico de Riemann, allí tenía la herramienta que estaba buscando y que le permitía formular de manera precisa los espacios curvados de la relatividad general.

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                                               Medidas muy precisas nos hablan de la curvatura del espacio en presencia de grandes masas

De la misma manera, un día, alguien surgirá y nos traerá las matemáticas necesarias para que, la teoría M se pueda exponer de manera clara y completa. ¿Serán las funciones modulares de Ramanujan las que nos sacará del atolladero? Todos sabéis que las matemáticas topológicas de la Teoría M, son extremadamente difíciles, pocos tienen acceso a ellas, y, de momento, parece que nadie está en posesión de los conocimientos matemáticos que se precisan  ¿Que dice Perelman al respecto?

Tendremos que esperar un poco.

Como nuestra curiosidad es inagotable, nos empuja a preguntar, trabajar, estudiar, investigar y profundizar en todas estas cuestiones que atrae a todos aquellos que, como yo, enamorados de la Física, saben que, algún día lejano en el futuro, nuestra Civilización alcanzará el nivel requerido para poder abrir esas puertas que ahora tenemos cerradas y de las que no tenemos las llaves para poder abrirlas. Encima de estas puertas, los letreros dicen: Teoría M, Materia Oscura, Densidad Crítica, Universos paralelos, Viajes en el Tiempo, Singularidades, etc.

Me gustaría estar presente cuando pasados algunos siglos, nuestra especie tenga como fuente de energía inagotable la que generan los Agujeros Negros. Esa energía nos dará la posibilidad de viajar a las estrellas y de llegar al fondo de la teoría M.

Pero no corramos tanto. Pensemos en cuestiones más cercanas y con posibilidades, como la localización del Bosón de Higgs. Pero, ¿Que es el campo de Higgs? ¿Y, el Bosón de Higgs? ¿Será verdad que todo el espacio está inmerso en una especie de éter, llevarían razón los antiguos?

Estamos preguntando por el campo de fuerzas y energías donde se generan las partículas llamadas bosones de Higgs que, hipotéticamente proporciona masa a todas las demás partículas y se encuentran en este campo virtual o de vacío que aún nadie ha podido encontrar. Por eso la puesta en marcha del LHC en el CERN (Ginebra), ¡nos produce tanta ilusión! Allí pueden estar las repuestas a todas esas preguntas aun no contestadas.

En esas máquinas poderosas tratamos de recrear la creación. Pero no debemos olvidar que, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

Así es. Al menos hasta donde sabemos, los planetas, las estrellas y Galaxias y demás objetos estelares (nosotros también), están hechos de infinitesimales objetos: Quarks y Leptones. Todo lo que podemos ver en el Universo está hecho de materia bariónica, existe otra clase de materia que aún no sabemos lo que es, dónde está o como se genera y de qué está hecha (esa que nuestra ignorancia denomina Materia Oscura).

                                                                               Hasta donde podremos llegar con…

¡Nuestra imaginación! algo que solo puede ser comparada con la grandiosidad del Universo que es… ¡casi tan grande como ella!

• La Mecánica Cuántica.
• La Relatividad Especial y la Relatividad General.
• El Modelo Estándar.
• Las fuerzas Fundamentales.
• Las Constantes Universales.
• Las familias de partículas: Quarks (u, d, s, c, t, b), Hadrónes (bariones y mesones), los  Leptones (electrón, muón, tau y sus respectivos neutrinos).
• La Teoría M y antes la de Supersimetría, Supergravedead, la de cuerdas, la cuerda heterótica.

En su día la teoría de Kaluza-Klein (la primera de más altas dimensiones), añadiendo una nueva dimensión (de cuatro a cinco) a la teoría de Einstein, logró unificar la Relatividad de Eintein con el electromagnetismo de Maxwell.

Este es el “universo” que todos llevamos con nosotros. A través de él, podemos generar ideas, clasificar todos los datos que nos envían los sentidos, y, con todas esas sensaciones e información, conformamos nuestro mundo que, no necesariamente tiene que coincidir con el mundo que realmente nos rodea, nuestras propias carencias (actuales) podrían limitar nuestra concepción de la realidad. Claro que, todo lo que antes decimos denota que, gran parte de esa realidad del mundo, sí ha sido percibida por nuestro cerebro.

Y, de esta manera podríamos continuar exponiendo ejemplos enormes de la imaginación que poseemos y que es el don que la humanidad tiene para descubrir los misterios del Universo. Einstein llamaba a esto hacer ejercicios mentales. Está bien que nuestras mentes no tengan barreras a la hora de imaginar. Creo que, a excepción de las imposibilidades y barreras impuestas por nuestro físico, todo lo demás, con el tiempo podrá ser posible.

Alguien dijo que Genio es aquel que es capaz de plasmar en realidad sus pensamientos. Pues, amigos, en la Física han sido muchos los genios que han aportado su imaginación.

La pregunta que hay que responder aquí es lo que se entiende por Física. Por mi parte, Física es todo lo que aquí he dejado escrito y muchísimo más. Creo firmemente que la Física es el arma más poderosa con la que cuenta la Humanidad para resolver todos los problemas que tiene planteados a plazo fijo en el futuro lejano.

Un largo recorrido y, nos queda mucho más por recorrer

¿Habéis pensado alguna vez que el Sol tiene una cantidad de combustible nuclear – hidrógeno – limitado? El día que se acabe, dentro de 4.000 millones de años ¿dónde iremos? Espero que hayamos sido lo suficientemente lógicos como para no haber puesto, nosotros mismos, los medios que nos destruirían: Robots más adelantados que los humanos, armas nucleares, etc.

El puntito blanco del centro, podría ser nuestro Sol en un futuro aún muy lejano (5.000 millones de años), se convertirá en una enana blanca y formará una hermosa Nebulosa Planetaria. Para cuando eso suceda, posiblemente ya no estaremos aquí. Claro que, ¿cómo podemos entender ese “no estaremos aquí”? Habrá desaparecido nuestra especie? ¿Habremos sido capaces de llegar hasta allí en el tiempo y, si es así, estaremos habitando otros mundos?

La pregunta parece tonta, sin embargo, no lo es. No debemos descansar en el avance del saber científico de la Física y las matemáticas (además de en los otros campos), ya que, en ese no parar estará la solución a todos nuestros problemas presentes y futuros, y, la llave que abrirá la puerta principal, se llama Física (siempre acompañada por la llave maestra de las matemáticas).

emilio silvera

ESTOCOLMO, Suecia.- El premio Nobel de Física (2.008) fue atribuido hoy al norteamericano Yoichiro Nambu y a los japoneses Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa por sus trabajos separados sobre la física de las partículas que mejoraron la comprensión de la materia, Demos un repaso hoy aquí a esos componentes de la materia, y, profundicemos en sus propiedades., en sus “vidas”.

Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida medio, una partícula que no sea absolutamente estable tiene, en cada momento de su vida, la misma probabilidad de desintegrarse. Algunas partículas viven más que otras, pero la vida media es una característica de cada familia de partículas.

También podríamos utilizar el concepto de “semivida”. Si tenemos un gran número de partículas idénticas, la semivida es el tiempo que tardan en desintegrarse la mitad de ese grupo de partículas. La semivida es 0,693 veces la vida media.

Si miramos una tabla de las partículas más conocidas y familiares (fotón, electrón muón tau, la serie de neutrinos, los mesones con sus piones, kaones, etc., y, los Hadrones bariones como el protón, neutrón, lambda, sigma, ksi y omega, en la que nos expliquen sus propiedades de masa, carga, espín, vida media (en segundos) y sus principales manera de desintegración, veríamos como difieren las unas de las otras.

Quarks					Antiquarks
Nombre	Símbolo[1]	Generación	Carga eléctrica (e)	Masa en reposo (MeV/c²)	Nombre	Símbolo	Generación	Carga eléctrica (e)	Masa en reposo (MeV/c²)
Arriba		Primera		—	Antiarriba		Primera		—
Abajo		Primera		—	Antiabajo		Primera		—
Encanto		Segunda		—	Antiencanto		Segunda		—
Extraño		Segunda		—	Antiextraño		Segunda		—
Cima		Tercera		—	Anticima		Tercera		—
Fondo		Tercera		—	Antifondo		Tercera		—

Las iniciales de los símbolos los toma del inglés: u: up, arriba; d: down, abajo; c: charmed, encantado; s: strange, extraño; t: top, alto, superior, cima; b: bottom bajo, fondo.

Algunas partículas tienen una vida media mucho más larga que otras. De hecho, la vida media difiere enormemente. Un neutrón por ejemplo, vive 10¹³ veces más que una partícula Sigma⁺, y ésta tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma cero. Pero si uno se da cuenta de que la escala de tiempo “natural” para una partícula elemental (que es el tiempo que tarda su estado mecánico-cuántico, o función de ondas, en evolucionar u oscilar) es aproximadamente 10ˉ²⁴ segundos, se puede decir con seguridad que todas las partículas son bastantes estables. En la jerga profesional de los físicos dicen que son “partículas estables”.

Todas las partículas elementales vistas hasta ahora en esta serie, incluido el neutrino. Claro que, aquí no está todavía el Bosón de Higgs que será confirmado en breve…al parecer. Esas son las últimas noticias, el Bosón de Higgs está “casi” localizado y sólo está a la espera de confirmar el hallazgo no una, sino miles de veces.

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Por fin, los físicos empiezan a recoger los frutos de una búsqueda que dura ya casi cincuenta años. Dos de los principales detectores del LHC, el gran acelerador europeo de partículas (el Atlas y el muones">CMS) han encontrado señales que podrían delatar la presencia del esquivo Higgs">bosón de Higgs, la última particula subatómica que queda por descubrir para completar el Modelo Estandar de la Física y la que encierra, además, el secreto de por qué las demás partículas tienen masa.

Pero sigamos. ¿Cómo se determina la vida media de una partícula? Las partículas de vida larga, tales como el neutrón y el muón, tienen que ser capturadas, preferiblemente en grandes cantidades, y después se mide electrónicamente su desintegración. Las partículas comprendidas entre 10ˉ¹⁰ y 10ˉ⁸ segundos solían registrarse con una cámara de burbujas, pero actualmente se utiliza con más frecuencia la cámara de chispas. Una partícula que se mueve a través de una cámara de burbujas deja un rastro de pequeñas burbujas que puede ser fotografiado. La Cámara de chispas contiene varios grupos de de un gran número de alambres finos entrecruzados entre los que se aplica un alto voltaje. Una partícula cargada que pasa cerca de los cables produce una serie de descargas (chispas) que son registradas electrónicamente. La ventaja de esta técnica respecto a la cámara de burbujas es que la señal se puede enviar directamente a una computadora que la registra de manera muy exacta.

Una colisión entre un prtón y un antiprotón registrada mediante una cámara de chispas del experimento UA5 del CERN.

Una partícula eléctricamente neutra nunca deja una traza directamente, pero si sufre algún tipo de interacción que involucre partículas cargadas (bien porque colisionen con un átomo en el detector o porque se desintegren en otras partículas), entonces desde luego que pueden ser registradas. Además, realmente se coloca el aparato entre los polos de un fuerte imán. Esto hace que la trayectoria de las partículas se curve y de aquí se puede medir la velocidad de las partículas. Sin embargo, como la curva también depende de la masa de la partícula, es conveniente a veces medir también la velocidad de una forma diferente.

	Leptones cargados				Neutrinos
	Nombre	Símbolo	Carga	Masa en reposo	Nombre	Símbolo	Carga	Masa en reposo
1ª generación	Electrón		−1	0,511			0	< 3·10−6
	Positrón		+1		Neutrino electrónico		0
2ª generación	Muón		−1	105,658	Neutrino muónico		0	< 0,19
	Antimuón		+1		Antineutrino muónico		0
3ª generación	Tauón		−1	1776,99	Neutrino tauónico		0	< 18,2
	Antitauón		+1		Antineutrino tauónico		0

En un experimento de altas energías, la mayoría de las partículas no se mueven mucho más despacio que la velocidad de la luz. Durante su carta vida pueden llegar a viajar algunos centímetros y a partir de la longitud media de sus trazas se puede calcular su vida. Aunque las vidas comprendidas entre 10ˉ¹³ y 10ˉ²⁰ segundos son muy difíciles de medir directamente, se pueden determinar indirectamente midiendo las fuerzas por las que las partículas se pueden transformar en otras. Estas fuerzas son las responsables de la desintegración y, por lo tanto, conociéndolas se puede calcular la vida de las partículas, Así, con una pericia ilimitada los experimentadores han desarrollado todo un arsenal de técnicas para deducir hasta donde sea posible todas las propiedades de las partículas. En algunos de estos procedimientos ha sido extremadamente difícil alcanzar una precisión alta. Y, los datos y números que actualmente tenemos de cada una de las partículas conocidas, son los resultados acumulados durante muchísimos años de medidas  experimentales y de esa manera, se puede presentar una información que, si se valorara en horas de trabajo y coste de los proyectos, alcanzaría un precio descomunal pero, esa era, la única manera de ir conociendo las propiedades de los pequeños componentes de la materia.

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Que la mayoría de las partículas tenga una vida media de 10ˉ⁸ segundos significa que son ¡extremadamente estables! La función de onda interna oscila más de 10²² veces/segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10ˉ⁸ x 10²², que es 1¹⁴ o 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera. Podemos decir con toda la seguridad que la interacción responsable de tal desintegración es extremadamente débil.

Bariones

Partícula	Símbolo[1]	Quarks[2]	Spin	Masa en reposo (MeV/c²)	S	C	B	Vida media (s)	Desintegraciones más importantes
Protón				938,27	0	0	0	Estable [3]	—
Neutrón				939,56	0	0	0	885,7 [4]
Delta doble positiva				≈1.232	0	0	0	6·10-24
Delta positiva				≈1.232	0	0	0	6·10-24
Delta neutra				≈1.232	0	0	0	6·10-24
Delta negativa				≈1.232	0	0	0	6·10-24
Lambda neutra				1.115,68	−1	0	0	2,63·10-10
Sigma positiva				1.189,37	−1	0	0	8,01·10-11
Sigma neutra				1.192,64	−1	0	0	7,4·10-20
Sigma negativa				1.197,45	−1	0	0	1,48·10-10
Xi neutra				1.314,83	−2	0	0	2,90·10-10
Xi negativa				1.321,31	−2	0	0	1,64·10-10
Omega				1.672,45	−3	0	0	8,21·10-11
Omega encantada				2.697,5	−2	+1	0	6,90·10-14
Xi positiva encantada				2.468	−1	+1	0	4,42·10-13
Xi neutra encantada				2.471	−1	+1	0	1,12·10-13
Lambda encantada				2.284,9	0	+1	0	2,00·10-13
Xi doble encantada				3.519	0	+2	0	<3,30·10-14	—
Lambda inferior				5.624	0	0	−1	1,23·10-12

^[1] El símbolo de los antibariones es el mismo pero con una barra superpuesta.

^[2] Los antibariones están formados por los respectivos antiquarks.

^[3] Debe ser superior a 10³⁰ años.

^[4] Vida media de los neutrones libres. En los núcleos atómicos son estables.

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Se ha conseguido observar por primera vez la desintegración radiativa del neutrón. Dentro de los núcleos de los átomos hay neutrones y protones. En condiciones normales y mientras que están ahí los neutrones son estables. Sin embargo los neutrones libres son inestables, tienen una vida media de unos 10 minutos, y se desintegran produciendo un protón un electrón y un antineutrino. Pero los físicos nucleares teóricos predijeron que una de cada mil veces los neutrones decaerían en todas esas partículas y además en un fotón.

Aunque la vida de un neutrón sea mucho más larga (en promedio un cuarto de hora), su desintegración también se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos atómicos radiactivos también se desintegran por interacción débil, pero pueden necesitar millones e incluso miles de millones de años para ello. Esta amplia variación de vidas medias se puede explicar considerando la cantidad de energía que se libera en la desintegración. La energía se almacena en las masas de las partículas según  la bien conocida fórmula de Einstein E = Mc². Una desintegración sólo puede tener lugar si la masa total de todos los productos resultantes es menor que la masa de la partícula original. La diferencia entre ambas masas se invierte en energía de movimiento. Si la diferencia es grande, el proceso puede producirse muy rápidamente, pero a menudo la diferencia es tan pequeña que la desintegración puede durar minutos o incluso millones de años. Así, lo que determina la velocidad con la que las partículas se desintegran no es sólo la intensidad de la fuerza, sino también la cantidad de energía disponible.

Si no existiera la interacción débil, la mayoría de las partículas serían perfectamente estables. Sin embargo, la interacción por la que se desintegran las partículas π°, η y Σ° es la electromagnética. Se observará que estas partículas tienen una vida media mucho más corta, aparentemente, la interacción electromagnética es mucho más fuerte que la interacción débil.

Bosones

Nombre	Símbolo	Carga eléctrica (e)	Carga de color	Spin	Masa en reposo (GeV/c²)	Existencia	Vida media	Desintegraciones más importantes
Fotón		Neutra	Neutra	1	Nula	Confirmada	Estable	—
Bosón W		± 1	Neutra	1	80,425	Confirmada	3·10-25	[1]
Bosón Z		Neutra	Neutra	1	91,187	Confirmada	3·10-25	—
Gluón		Neutra	Color + Anticolor	1	Nula	Confirmada	Estable	—
Gravitón		Neutra	Neutra	2	Nula	Hipotética	Estable	—
Higgs">Bosón de Higgs		Neutra	Neutra	0	> 114	Hipotética	Inestable

Durante la década de 1950 y 1960 aparecieron tal enjambre de partículas que dio lugar a esa famosa anécdota de Fermi cuando dijo: “Si llego a adivinar esto me hubiera dedicado a la botánica.”

Típicamente el neutrón decae en un protón, un antineutrino y un electrón. Muy raramente lo hace radiativamente emitiendo además un fotón. Diagrama: Zina Deretsky, National Science Foundation.  Fue difícil observar los fotones porque el haz está contaminado con fotones que fondo que producen mucho “ruido” en las medidas, por lo que era como buscar una aguja en un pajar. El decaimiento radiativo del neutrón es importante porque conecta directamente con el modelo estándar de partículas.

Si la vida de una partícula  es tan corta como 10ˉ²³ segundos, el proceso de desintegración tiene un efecto en la energía necesaria para producir las partículas ante de que se desintegre. Para explicar esto, comparemos la partícula con un diapasón que vibra en un determinado modo. Si la “fuerza de fricción” que tiende a eliminar este modo de vibración es fuerte, ésta puede afectar a la forma en la que el diapasón oscila, porque la altura, o la frecuencia de oscilación, está peor definida. Para una partícula elemental, esta frecuencia corresponde a su energía. El diapasón resonará con menor precisión; se ensancha su curva de resonancia. Dado que para esas partículas extremadamente inestable se miden curvas parecidas, a medida se las denomina resonancias. Sus vidas medias se pueden deducir directamente de la forma de sus curvas de resonancia.

Un ejemplo típico de una resonancia es la delta (∆), de la cual hay cuatro especies ∆ˉ, ∆⁰, ∆⁺ y ∆⁺⁺(esta última tiene doble carga eléctrica). Las masas de las deltas son casi iguales 1.230 MeV. Se desintegran por la interacción fuerte en un protón o un neutrón y un pión.

Existen tanto resonancias mesónicas como bariónicas . Las resonancias deltas son bariónicas. Las resonancias deltas son bariónicas. (También están las resonancias mesónicas rho, P).

            En el Universo existen muchas clases de resonancias…inesperadas

Las resonancias parecen ser solamente una especie de versión excitada de los Hadrones estable. Son réplicas que rotan más rápidamente de lo normal o que vibran de diferente manera. Análogamente a lo que sucede cuando golpeamos un gong, que emite sonido mientras pierde energía hasta que finalmente cesa de vibrar, una resonancia termina su existencia emitiendo piones, según se transforma en una forma más estable de materia.

Por ejemplo, la desintegración de una resonancia ∆ (delta) que se desintegra por una interacción fuerte en un protón o neutrón y un pión, por ejemplo:

∆⁺⁺→р + π⁺;  ∆⁰→р + πˉ; o п+π⁰

En la desintegración de un neutrón, el exceso de energía-masa es sólo 0,7 MeV, que se puede invertir en poner en movimiento un protón, un electrón y un neutrino. Un Núcleo radiactivo generalmente tiene mucha menos energía a su disposición.

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El estudio de los componentes de la materia tiene una larga historia en su haber, y, muchos son los logros conseguidos y muchos más los que nos quedan por conseguir, ya que, nuestros conocimientos de la masa y de la energía (materia), es aún limitado. Los cuadros que aparecen arriba, están referidos a las partículas más usuales como los Quarks y los Leptones (verdaderos componentes de la materia) que a su vez, son: Los Quarks los que forman a los Hadrones y los Leptones los que completan el núcleo atómico de la materia. He dejado a los mesones y a las supuestas partículas supersimétricas centrándome en las que me parecen principales en la conformación de la amteria.

Hace tiempo, los sucesos que constituían historias eran las irregularidades de la experiencia. Sabemos que lo que no cambia son las Constantes de la Naturaleza pero, tampoco cambia el Amor de una madre por un hijo, la salida y la puesta del Sol, nuestra curiosidad, y otras muchas cosas que conviven con nosotros en lo cotidiano.

Poco a poco, los científicos llegaron a apreciar el misterio de la regularidad y lo predecible del mundo. Pese a la concatenación de movimientos caóticos e impredecibles de átomos y moléculas, nuestra experiencia cotidiana es la de un mundo que posee una profunda consistencia y continuidad. Nuestra búsqueda de la fuente de dicha consistencia atendía primero a las leyes de la Naturaleza que son las que gobiernan como cambian las cosas. Sin embargo, y al mismo tiempo, hemos llegado a identificar una colección de números misteriosos arraigados en la regularidad de la apariencia. Son las Constantes de la Naturaleza que, como la carga y la masa del electrón o la velocidad de la luz, le dan al Universo un carácter distintivo y lo singulariza de otros que podríamos imaginar. Todo esto, unifica de una vez nuestro máximo conocimiento y también, nuestra infinita ignorancia.

                                                                      En este quásar están presentes algunas de las constantes de la Naturaleza

Esos números misteriosos (el valor de esas constantes fundamentales), son medidos con una precisión cada vez mayor y modelamos nuestros patrones fundamentales de masa y tiempo alrededor de su invariancia. Sin embargo, no podemos explicar sus valores. ¿Por qué la constante de estructura fina vale 1/137? Nadie puede contestar a esa “simple” pregunta. Sabemos que ahí, en esa constante, están involucrados los tres guarismos h, e, y c. El primero es la constante de Planck (la mecánica cuántica), el segundo el Electrón (el electromagnetismo), y, el tercero, la velocidad de la luz (la relatividad especial de Eisntein).

A pesar del cambio incesante y la dinámica del mundo visible, existen aspectos misteriosos del ritmo del Universo que son inquebrantables en su constancia, así lo podemos comprobar en la Gravedad o en la velocidad de la luz en el vacío entre otros. Son estas misteriosas cosas invariables las que hacen de nuestro Universo el que es y lo distingue de otros muchos que pudiéramos imaginar. Existe un hilo invisble que teje incesante una continuidad a lo largo y a lo ancho de toda la Naturaleza: Algunas cosas cambian para que todo siga igual.

En regiones lejanas del Universo, por muy extrañas que nos pudieran parecer, también estarían regidas por las mismas constantes de la Naturaleza que en la nustra. Esas constantes están presentes en todas partes y, al igual que las cuatro fuerzas fundamentales, disponen que todo transcurra como debe ser.

Así que, tomando como patrón universal esas constantes, podemos esperar que ciertas cosas sean iguales en otros lugares del espacio además de la Tierra, lo único que in situ, conocemos. Hasta donde nuestros conocimientos han llegado también parece razonable pensar que dichas constantes fueron y serán las mismas en otros tiempos además de hoy, ya que, para algunas cosas, ni la historia ni la geografía importan. De hecho, quizá sin un substrato semejante de realidades invariables no podrían existir corrientes superficiales de cambio ni ninguna complejidad de mente y materia. Todos sabemos, por ejemplo que, si la carga del electrón variara aunque sólo fuese una diez millonésima parte de la que es, la vida no podría existir.

La invariancia de las constantes hace posible que nuestro Universo contenga las maravillas que podemos en él observar. Sin embargo, a lo largo de la historia muchos se han empeñado en hacerlas cambiar…pero no lo consiguieron.

No pocas veces tenemos que leer en la prensa o revistas “especializadas” noticas como estas:

“Nueva evidencia sostiene que los seres humanos vivimos en un área del Universo que está hecha especialmente para nuestra existencia. ¿Según los cientificos? Esto es lo que más se aproxima a la realidad. El controversial hallazgo se obtuvo observando una de las constantes de la naturaleza, la cual parece ser diferente en distintas partes del cosmos.”

Yo aconsejaría a los observadores que informaron y realizaron “el estudio” que prestaran más atención o que cambiaran los aparatos e instrumentos de los que se valieron para llevarlo a cabo, toda vez que, hacer tal afirmación, además de osados, se les podría calificar de incompetentes.

De estar en lo cierto, tal informe se opondría al principio de equivalencia de Albert Einstein, el cual postula que las leyes de la física son las mismas en cualquier región del Universo. “Este descubrimiento fue una gran sorpresa para todos”, dice John Webb, de la Universidad de New South Wales, en Sidney (Australia ), líder del estudio que sigue diciendo: Aún más sorprendente es el hecho de que el cambio en la constante parece tener una orientación, creando una “dirección preferente”, o eje, a través del Universo.

Esa idea fue rechazada más de 100 años atrás con la formulación de la teoría de la relatividad de Einstein que, de momento, no ha podido ser derrocada (aunque muchos lo intentaron).

Está claro que algunos, no se paran a la hora de adquirir una efímera notoriedad, ya que, finalmente, prevalecerá la verdad de la invariancia de las constantes que, a lo largo de la historia de la Física y la Cosmología, muchas veces han tratado de hacerlas cambiantes a lo largo del tiempo, y, sin embargo, ahí permanecen con su inamovible estabilidad.

Veamos por encima, algunas constantes:

La Constante de Gravitación Universal: G

La primera constante fundamental es G, la que ponemos delante de la fórmula de la gravedad de Newton.

Es una simple constante de proporcionalidad pero tambien ajusta magnitudes: se expresa en N*m2/Kg2.

Es tal vez la constante peor medida (sólo se está seguro de las tres primeras cifras…), y como vemos la fuerza de la gravedad es muy débil (si no fuera porque siempre es atractiva ni la sentiríamos).

La Constante Electrica: K

No confundir con la constante K de Bolzman para termodinamica y gases..

La ley de Coulom es practicamente igual a la de la gravitación de Newton, si sustituimos las masas por las cargas, es inversa al cuadrado de la distancia y tiene una constante de proporcionalidad llamada K

La constante es la de de Coulomb y su valor para unidades del SI es K = 9 * 10⁹ * N * m² / C²

La constante K no es realmente fundamental, ya que es K=  psilon} \,\!" /> psilon = \varepsilon_r \varepsilon_0 \,\!" /> y psilon_r \,\!" /> es la Permitividad Relativa del material (siempre es menor o igual que 1) y psilon_0=8,85 \times 10^{-12} \,\!" /> F/m es la Permitividad del Medio en el Vacío. Así pues, la constante importante es la Permitividad del Vacío.

Hay un paralelismo casi total con el campo magnético, donde definimos la “Permeabilidad Magnética de un material” como la Permitividad Relativa por la Permitividad del Vacío, μ = μrμ0, donde la importante es de nuevo la del vacío.

La velocidad de la luz c

psilon_0\mu_0 = \frac{1}{c^2}" width="82" height="42" /> psilon_0\mu_0}}" />

c= 299.792.458 m/s y se suele aproximar por 3·10^8m/s

Que la velocidad de la luz es una constante se comprobó hasta la saciedad en diversos experimentos, como el famoso experimento Michelson-Morley que determinó mediante un interferómetro que la velocidad de la luz no dependía de la velocidad del objeto que la emitía, esto descartó de golpe la suposición de que hubiera un “eter” o sustancia necesaria por la que se propagara la luz. En su lugar aparecieron las famosas transformaciones de Lorenz, la contracción de Lorentz explicaba el resultado del experimento. La rapidez constante de la luz es uno de los postulados fundamentales (junto con el principio de causalidad y la equivalencia de los marcos de inercia) de la Teoría de la Relatividad Especial.

Así que, amigos míos, esas cantidades conservarán su significado natural mientras la ley de gravitación y la de la propagación de la luz en el vacío y los dos principios de la termodinámica sigan siendo válidos. A tal respecto Max Planck solía decir:  “Por lo tanto, al tratarse de números naturales que no inventaron los hombres, siempre deben encontrarse iguales cuando sean medidas por las inteligencias más diversas con los métodos más diversos” .

En sus palabras finales alude a la idea de observadores situados en otros lugares del Universo que definen y entienden esas cantidades de la misma manera que nosotros, sin importar que aparatos o matemáticas pudieran emplear para realizar sus comprobaciones.

Estaba claro que Planck apelaba a la existencia de constantes universales de la Naturaleza como prueba de una realidad física completamente diferente de las mentes humanas. Pero él quería ir mucho más lejos y utilizaba la existencia de estas constantes contra los filósofos positivistas que presentaban la ciencia como una construcción enteramente humana: puntos precisos organizados de una forma conveniente por una teoría que con el tiempo sería reemplazada por otra mejor. Claro que Planck reconocía que la inteligencia humana, al leer la naturaleza había desarrolado teorías y ecuaciones para poder denotarlas pero, sin embargo, en lo relativo a las constantes de la naturaleza, éstas habían surgido sin ser invitadas y, como mostraban claramente sus unidades naturales (unidades de Planck) no estaban escogidas exclusivamente por la conveniencia humana.

Las constantes de la Naturaleza inciden en todos nosotros y, sus efectos, están presentes en nuestras mentes que, sin ellas, no podrían funcionar de la manera creadora e imaginativa que lo hacen. Ellas le dan el ritmo al Universo y hacen posible que todo transcurra como debe transcurrir.

Es curioso comprobar que, una de las paradojas de nuestro estudio del Universo circundante es que a medida que las descripciones de su funcionamiento se hacen más precisas y acertadas, también se alejan cada vez más de toda la experiencia humana que, al estar reducidas a un ámbito mu local y macroscópico, no puede ver lo que ocurre en el Universo en su conjunto y, por supuesto, tampoco en ese otro “universo” de lo infinitesimal que nos define la mecánica cuántica en el que, cuando nos acercamos, podemos observar cosas que parecen fuera de nuestro mundo, aunque en realidad, sí que están aquí.

En ese “universo” especial que el ojo no puede ver, hay otros mundos y otros seres que, como nosotros, desarrollan allí sus vidas y su tiempo que, aunque también se rigen por las invariantes constantes univerales, para ellos, por su pequeñez, el espacio y el tiempo tendrán otros significados.

Einstein nos dejó dichas muchas cosas interesantes sobre las constantes de la Naturaleza en sus diferentes trabajos. Fue su genio e intuición sobre la teoría de la relatividad especial la que dotó a la velocidad de la luz en el vacío del status especial como máxima velocidad a la que puede transmitirse infirmación en el Universo. El supo revelear todo el alcance de lo que Planck y Stoney simplemente habían supuesto: que la velocidad de la luz era una de las constantes sobrehumanas fundamentales de la Naturaleza.

La luz se expande por nuestro Universo de manera isotrópica, es decir, se expande por igual en todas las direcciones. Así actúan las estrellas que emiten su luz o la bombilla de una habitación. Cuando es anisotrópica, es decir que sólo se expande en una dirección, tendríamos que pensar, por ejemplo, en el foco de un teatro que sólo alumbra a la pianista que nos deleita con una sonata de Bach.

                          La luz de las estrellas: Podemos ver como se expande por igual en todas las direcciones del espacio (Isotrópica)

Claro que, cuando hablamos de las constantes, se podría decir que algunas son más constantes que otras. La constante de Boltzmann es una de ellas, es en realidad una constante aparente que surje de nuestro hábito de medir las cosas en unidades. Es sólo un factor de conversión de unidades de energía y temperatura. Las verdaderas constantes tienen que ser números puros y no cantidades con “dimensiones”, como una velocidad, una masa o una longitud.

Las cantidades con dimensiones siempre cambian sus valores numéricos si cambiamos las unidades en las que se expresan.

                                    Las constantes fundamentales determinan el por qué, en nuestro Universo, las cosas son como las observamos.

Y, a todo esto, la teoría cuántica y de la Gravitación gobiernan reinos muy diferentes que tienen poca ocasión para relacionarse entre sí. Mientras la una está situada en el mundo infinitesimal, la otra, reina en el macrocosmos “infinito” del inmenso Universo. Sin embargo, las fuerzas que rigen en el mundo de los átomos son mucho más potentes que las que están presentes en ese otro mundo de lo muy grande. ¡Qué paradoja!

¿Dónde están los límites de la teoría cuántica y los de la relatividad general? Somos afortunados al tener la respuesta a mano, Las unidades de Planck nos dan la respuesta a esa pregunta:

Supongamos que tomamos toda la masa del Universo visible y determinamos la longitud de onda cuántica. Podemos preguntarnos en que momento esa longitud de onda cuántica del Universo visible superará su tamaño. La respuesta es: Cuando el Universo sea más pequeño que la longitud de Planck (10^-33 centímetros), más joven que el Tiempo de Planck (10^-43 segundos) y supere la Temperatura de Planck (10³² grados). Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales. Para comprender a qué 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.

El satélite Planck un observatorio que explora el universo lleva el mismo nombre del fundador de la teoría cuántica será pura coincidencia?.Credito: ESA. La Gravedad cuántica queda aún muy lejos de nuestro entendimiento.

La Relatividad General la teoría de Einstein de la gravedad, nos da una base útil para matemáticamente modelar el universo a gran escala -, mientras que la Teoría Cuántica nos da una base útil para el modelado de la física de las partículas subatómicas y la probabilidad de pequeña escala, de la física de alta densidad de energía de los inicios del universo – nanosegundos después del Big Bang – en la cuál la relatividad general sólo la modela como una singularidad y no tiene nada más que decir sobre el asunto.

Las teorías de la Gravedad Cuántica pueden tener más que decir, al extender la relatividad general dentro de una estructura cuantizada del espacio tiempo puede ser que nosotros podamos salvar la brecha existente entre la física de gran escala y de pequeña escala, al utilizar por ejemplo la Relatividad Especial Doble o Deformada.

¡Es tanto lo que nos queda por saber!

El día que se profundice y sepamos leer todos los mensajes subyacentes en el 137, ese día, como nos decía Heinsemberg, se habrán secasdo todas las fuentes de nuestra ignorancia. Ahí, en el 137, Alfa (α) Constante de estructura Fina, residen los secretos de la Relatividad Especial, la Velocidad de la Luz, c, el misterio del electromagnetismo, el elextrón, e, y, la Mecánica Cuántica, es decir el cuanto de acción de Planck, h

emilio silvera

La primera expresión de las TC’s fue desarrollada por Jöel Scherk, de París, y John Schwuarz, del Instituto de Tecnología de California, quienes en el año 1974 publicaron un artículo en el que demostraban que la TC podía describir la fuerza gravitatoria, pero sólo si la tensión en la cuerda se tensiometrara alrededor de un trillón de toneladas métricas. Las predicciones de la teoría de cuerdas serían las mismas que las de la relatividad general a escala de longitudes normales, pero diferirían a distancias muy pequeñas, menores que una trillonésima de un cm. Claro está, que en esos años, no recibieron mucha atención por su trabajo.

Ahora se buscan indicios de la teoría de cuerdas en los grandes aceleradores de partículas donde parece que algunos indicios nos dicen que se va por el buen camino, sin embargo, nuestros aceleradores más potentes necesitarían multiplicar por un número muy elevado su potencia para poder, comprobar la existencia de las cuerda situadas a una distancia de 10^-35 m, lugar al que nos será imposible llegar en muchas generaciones. Sin embargo, en las pruebas que podemos llevar a cabo en la actualidad, aparecen indicios de una partlicula de espín 2 que todos asocian con el esquivo Gravitón, y, tal indicio, nos lleva a pensar que, en la teoría de supercuerdad, está implícita una Teoría Cuántica de la Gravedad.

Los motivos que tuvo la comunidad científica, entonces, para no brindarle la suficiente atención al trabajo de Scherk y Schwuarz, es que, en esos años, se consideraba más viable para describir a la interacción fuerte a la teoría basada en los quarks y los gluones, que parecía ajustarse mucho mejor a las observaciones. Desafortunadamente, Scherk murió en circunstancias trágicas (padecía diabetes y sufrió un coma mientras se encontraba solo en su estudio). Así, Schwuarz se quedó solo, en la defensa de la teoría de cuerdas, pero ahora con un valor tensiométrico de las cuerdas mucho más elevado.

Pero con los quarks, gluones y también los leptones, en la consecución que se buscaba, los físicos entraron en un cuello de botella. Los quarks resultaron muy numerosos y los leptones mantuvieron su número e independencia existencial, con lo cual seguimos con un número sustancialmente alto de partículas elementales (60), lo que hace que la pregunta ¿son estos los objetos más básicos?

Si esos sesenta objetos fuesen los más básicos, entonces también aflora otra pregunta ¿por qué son como son y por qué son tantos? Los físicos quisieran poder decir «salen de esto», o «salen de esto y aquello», mencionar dos principios bien fundamentales y ojalá tan simples que puedan ser explicados a un niño. La respuesta «porque Dios lo quiso así» posiblemente a muchos les cause «lipotimia»,  ya que esa respuesta nos lleva a reconocer nuestra ignorancia y, además, la respuesta que esperamos no pertenece al ámbito de la religión. Por ahora, ¿cuál es la última que puede dar la ciencia?

El cuello de botella incentivó a que se encendiera una luz de esperanza. En 1984 el interés por las cuerdas resucitó de repente. Se desempolvaron las ideas de Kaluza y Klein, como las que estaban inconclusas de Scherk y Schwuarz. Hasta entonces, no se habían hecho progresos sustanciales para explicar los tipos de partículas elementales que observamos, ni tampoco se había logrado establecer que la supergravedad era finita.

El ser humano –en función de su naturaleza– cuando se imagina algo muy pequeño, piensa en un puntito de forma esférica. Los físicos también son seres de este planeta y, para ellos, las partículas elementales son como puntitos en el espacio, puntos matemáticos, sin extensión. Son sesenta misteriosos puntos y la teoría que los describe es una teoría de puntos matemáticos. La idea que sugieren las TC’s es remplazar esos puntos por objetos extensos, pero no como esferitas sino más bien como cuerdas. Mientras los puntos no tienen forma ni estructura, las cuerdas tienen longitud y forma, extremos libres como una coma “,” (cuerda abierta), o cerradas sobre sí misma como un circulito. Si el punto es como una esferita inerte de la punta de un elastiquito, la cuerda es el elástico estirado y con él se pueden hacer círculos y toda clase de figuras. Está lleno de posibilidades.

Muchas son las imágenes que se han elaborado para representar las cuerdas y, como nadie ha visto nunca ninguna, cualquiera de ellas vale para el objetivo de una simple explicación y, las cuerdas que se han imaginado han tomado las más pintorescas conformaciones para que, en cada caso, se adapten al modelo que se expone.

diferencia entre un punto y una coma. Según la teoría de cuerdas importa, y mucho. Por su extensión, a diferencia del punto, la cuerda puede vibrar. Y hacerlo de muchas maneras, cada modo de vibración representando una partícula diferente. Así, una misma cuerda puede dar origen al electrón, al fotón, al gravitón, al neutrino y a todas las demás partículas, según cómo vibre. Por ello, la hemos comparado con la cuerda de un violín, o de una guitarra, si se quiere.

Al dividir la cuerda en dos, tres, cuatro, cinco, o más partes iguales, se generan las notas de la escala musical que conocemos, o técnicamente, los armónicos de la cuerda. En general, el sonido de una cuerda de guitarra o de piano es una mezcla de armónicos. Según la mezcla, la calidad (timbre) del sonido. Si distinguimos el tono de estos instrumentos, es por la «receta» de la mezcla en cada caso, por las diferentes proporciones con que cada armónico entra en el sonido producido. Pero, también es posible hacer que una buena cuerda vibre en uno de esos armónicos en particular, para lo cual hay que tocarla con mucho cuidado. Los concertistas lo saben, y en algunas obras como los conciertos para violín y orquesta, usan este recurso de «armónicos». Así, la naturaleza, con su gran sabiduría y cuidado para hacer las cosas, produciría electrones, fotones, gravitones, haciendo vibrar su materia más elemental, esa única y versátil cuerda, en las diversas (infinitas) formas que la cuerda permite.

Una partícula ocupa un punto del espacio en todo momento. Así, su historia puede representarse mediante una línea en el espaciotiempo que se le conoce como «línea del mundo». Por su parte, una cuerda ocupa una línea en el espacio, en cada instante de tiempo. Por tanto, su historia en el espaciotiempo es una superficie bidimensional llamada la «hoja del mundo». Cualquier punto en una hoja del mundo puede ser descrito mediante dos números: uno especificando el tiempo y el otro la posición del punto sobre la cuerda. Por otra parte, la hoja del mundo es una cuerda abierta como una cinta; sus bordes representan los caminos a través del espaciotiempo (flecha roja) de los extremos o comas de la cuerda (figura 12.05.03.02). La hoja del mundo de una cuerda cerrada es un cilindro o tubo (figura 12.05.03.03); una rebanada transversal del tubo es un círculo, que representa la posición de la cuerda en un momento del tiempo.

No cabe duda que, de ser ciertas las TC’s, el cuello de botella queda bastante simplificado. Pasar de sesenta objetos elementales a una sola coma o circulito es un progreso notable. Entonces, ¿por qué seguir hablando de electrones, fotones, quarks, y las demás? Buena pregunta.

Que aparentemente las cosas se simplifican con las TC’s, no hay duda, pero desafortunadamente en física las cosas no siempre son como parecen. Para que una teoría sea adoptada como la mejor, debe pasar varias pruebas. No basta con que simplifique los esquemas y sea bella. La teoría de las cuerdas está –se puede decir– en pañales y ha venido mostrado distintas facetas permeables. Surgen problemas, y se la deja de lado; se solucionan los problemas y una avalancha de trabajos resucitan la esperanza. En sus menos de treinta años de vida, este vaivén ha ocurrido más de una vez.

Uno de los problemas que más afecta a la cuerda está ligado con su diminuto tamaño. Mientras más pequeño algo, más difícil de ver. Es una situación que se agudiza en la medida que se han ido corrigiendo sus permeabilidades. En sus versiones más recientes, que se llaman supercuerdas, son tan superpequeñas que las esperanzas de ubicarlas a través de un experimento son muy remotas. Sin experimentos no podemos comprobar sus predicciones ni saber si son correctas o no. Exagerando, es como una teoría que afirmara que los angelitos del cielo tienen alitas. ¿Quién la consideraría seriamente?

La propia base conceptual de la teoría comporta problemas. Uno de ellos, es el gran número de dimensiones que se usan para formularla. En algunos casos se habla de 26 o, en el mejor, de 10 dimensiones para una cuerdita: espacio (son 3), tiempo (1) y otras seis (o 22) más, que parecen estar enroscadas e invisibles para nosotros. Por qué aparecieron estas dimensiones adicionales a las cuatro que nos son familiares y por qué se atrofiaron en algún momento, no lo sabemos. También, la teoría tiene decenas de miles de alternativas aparentemente posibles que no sabemos si son reales, si corresponden a miles de posibles universos distintos, o si sólo hay una realmente posible. Algunas de estas versiones predicen la existencia de 496 fuerzones, partículas como el fotón, que transmiten la fuerza entre 16 diferentes tipos de carga como la carga eléctrica. Afirmaciones como éstas, no comprobables por la imposibilidad de hacer experimentos, plagan la teoría de cuerdas. Quienes alguna vez intentaron trabajar matemáticamente en las cuerdas, muchas veces deben haber pensado de que lo que estaban calculando más se asemejaba a juegos de ejercicios que la consecución de una base matemática teórica tras objetivo de dar un paso trascendental en el conocimiento de la naturaleza. Ahora, los que tienen puesta su fe en ella suelen afirmar que se trata de una teoría que se desfasó de la natural evolución de la física, que su hallazgo fue un accidente, y no existe aún el desarrollo matemático para formularla adecuadamente.

En las teorías de cuerdas, lo que anteriormente se consideraba partículas, se describe ahora como ondas viajando por las cuerdas, como las notas musicales que emiten las cuerdas vibrantes de un violín. La emisión o absorción de una partícula por otra corresponde a la división o reunión de cuerdas.

La Teoría de cuerdas trata de incorparar la Gravedad a las otras tres fuerzas y completar así el panorama actual de la Física de Partículas en el Modelo Estándar en el que sólo están incluídas estas tres interacciones de arriba, la Gravedad queda fuera por surgir infinitos no renormalizables que, desaparecen en la Teoría de supercuerdas de 26 dimensdiones de espacio tiempo para los Bosones y de 10 y 11 dimensiones de espacio tiempo para los Ferniones.

El trabajo que aquí hemos leido lo he obtenido de fuentes diversas y, como tantos otros, nos dice más o menos lo que todos. La realidad de la Teoría de supercuerdas está en que no podemos llegar a ese límite necesario de los 10^-35 m, donde supuestamente, está instalada la cuerda, y, como llegar a esa distancia nos exige una energía de 10¹⁹ GeV con la que no podemos ni soñar. Seguirán, por mucho tiempo, las especulaciones y cada cual, tendrá su idea, su propia teoría, toda vez que, ninguna de ellas podrá ser verificadas y mientras eso sea así (que lo es), todas las teorías tendrán la posibilidad de ser refrendadas…algún día.

• 
• ¿Dónde estarán las respuestas?

Sin embargo, una cosa es cierta, es la única teoría, la de supercuerdas, que nos da cierta garantía de que vamos por el buen camino, en su desarrollo aparecen indicios confirmados por los experimentos, como por ejemplo, la aparici´çon de una partícula de espín 2, el Gravitón que nos lleva a pensar que, en la teoría de supercuerdas está integrada una teoría Cuántica de la Gravedad que nos, podrá llevar, hasta esos primeros momentos del Big Bang que ahora quedan tan oscuros a la vista de los observadores y, de la misma manera, nos dejará entrar en la Singularidad de un Agujero Negro para poder ver (al fin) lo que allí pueda haber, qué clase de partículas o de materia se ha podido formar en un material tan extremadamente denso como el de la singularidad.

Habrá que tener paciencia con la Teoría de cuerdas y con el hallazgo tan esperado del Gravitón que nos confirmará, al fín, que la Gravedad como las demás interacciones, también está cuantizada y tiene su Bosón transmisor, el Gravitón.

emilio silvera

Escuchar a E. Wittin hablar sobre Física, puede ser un viaje alucinante que nos lleve hacia el futuro que está por llegar. Él es el autor de la Teoría M de cuerdas en la que ha unificado todas las versiones de supersimetría, supergravedad, cuerda heterótica, supercuerdas y demás. Se avanza sin descanso pero, seguimos sin poder verificar de forma experimental. Se dice que esta teoría esta adelantada a su tiempo.

Aunque el perfeccionamiento matemático introducido por la teoría de cuerdas ha alcanzado alturas de vértigo y ha sorprendido a los matemáticos, los críticos de la teoría aún la señalan como su punto más débil. Cualquier teoría, afirman, debe ser verificable. Puesto que ninguna teoría definida a la energía de Planck de 10¹⁹ miles de millones de eV es verificable, ¡la teoría de supercuerdas no es realmente una teoría!

Con esa simple fçormula, Planck no dijo la energía que se necesitaba para verificar la teoría de cuerdad, es decir 10¹⁹ GeV, y, desgraciadamente, esa energía, de momento, no es de este mundo.

¡Es todo tan complejo! La topología nos dará algunas respuestas y, seguramente, las funcionaes modulares de Ramunujan también podría tener el derecho a voto en esto de la teoría de cuerdas.

El principal problema es teórico más que experimental. Si fuéramos suficientemente inteligentes, podríamos resolver exactamente la teoría y encontrar la verdadera solución no perturbativa de la teoría. Sin embargo, esto no nos excusa de encontrar algún medio por el que verificar experimentalmente la teoría; debemos esperar señales de la décima dimensión.

¿La décima dimensión?

“¡Qué extraño sería que la teoría final se descubriera durante nuestra vida! El descubrimiento de las leyes finales de la naturaleza marcará una discontinuidad en la historia del intelecto humano, la más abrupta que haya ocurrido desde el comienzo de la ciencia moderna en el siglo XVII. ¿Podemos imaginar ahora como sería?”

Steven Weinberg

¿Es la belleza un principio físico?

Ni en este monstruo de la Ingenieria y la técnica actual podríamos alcanzar las enertgía de Planck. Queda muy lejos de la posibilidad humana y, no sabemos si, alguna inteligencia extraterrestre la habrá podido conseguir. Estamos hablando de las fuerzas de la creación.

Aunque la teoría de supercuerdas nos da una formulación convincente de la teoría del universo (de todo lo que existe, incluyendo el espacio, el tiempo y la materia), el problema fundamental es que un test experimental de la teoría está más allá de nuestra tecnología actual. De hecho, la teoría predice que la unificación de todas las fuerzas ocurre a la energía de Planck, de 10¹⁹ miles de millones de electronvoltios (eV), que es alrededor de mil billones de veces mayor que las energías actualmente disponibles en nuestros aceleradores de partículas.

David Gross, uno de los autores de la versión de la cuerda heterótica que se desarrolla en 26 dimensiones. Incorporada más tarde, por Witten a la Teoría M, compendio de todas las anteriores.

El físico David Gross (el del cuarteto de cuerdas de Princeton), al comentar el coste de generar esta energía fantástica, dice: “No hay suficiente dinero en las tesorerías de todos los países del mundo juntos. Es verdaderamente astronómica“.

Esto resulta decepcionante, porque significa que la verificación experimental, el motor que hace progresar la física, ya no es posible en esta generación actual de máquinas o con cualquier generación de máquinas en un futuro previsible. Esto significa, a su vez, que la teoría decadimensional no es una teoría en el sentido usual, porque es inverificable dado el actual estado tecnológico de nuestro planeta. Nos quedamos entonces con la pregunta: ¿Es la belleza, por sí misma, un principio físico que pueda sustituir la falta de verificación experimental?

El concepto de belleza es dispar, no todos aprecian la belleza de la misma manera, y, asimilar  la belleza a un principio físico de la Naturaleza me parece banal, ya que, esa belleza, esté donde esté, es, también, Naturaleza.

Para agitar más aún la controversia, Glashow escribió incluso un poema que termina así:

“La Teoría de Todo, si uno no se arredra,

Podría ser algo más que un caleidoscopio de cuerdas.

Aunque algunas cabezas se hayan vuelto viejas y escleróticas,

No hay que confiar sólo en las cosas heteróticas,

Seguid nuestro consejo y no cedáis la partida:

El libro no está acabado, la última palabra no es conocida”.

Glasgow ha jurado (sin éxito) mantener estas teorías fuera de Harvard, donde él enseña. Pero admite que a menudo siente que es superado en su deseo y la teoría de supercuerdas se cuela por todas las rendijas de la universidad y, además, sus puntos de vista no son compartidos por otros Nobel como Murray Gell-Mann y Steven Weinberg que se decantan en el sentido de que la teoría de supercuerdas proporciona nuestra única fuente actual de candidatos para una teoría final con enormes señales reales de autenticidad. ¿Por qué sino de su interior surgen las ecuaciones de Einstein de la relatividad general y el número mágico 24 de Ramanujan y sus funciones modulares, que al ser generalizadas se convierten en 8 y a las que la relatividad añade 2, para finalmente exigir 10 dimensiones? Los físicos no creen en casualidades pero sí en causalidades; si algo ocurre es debido a lo que existió, al suceso anterior que dio lugar al suceso presente, y que dará lugar al suceso futuro.

El matemático indio más extraño que podía pasarse el día sin levantar la cabeza escribiendo teoremas que ni los mayores matemáticos del momento sabían descifrar. Sus funciones modulares encierran mensajes que están aún por ser descubiertos. ¿Qué nos dirán?

Fue una verdadera pena que los políticos de EEUU dieran al traste con el proyecto SSC (Supercolisionador Superconductor) por su enorme coste de más de 11 mil millones de dólares para construirlo en las afueras de Dallas, Texas, con una circunferencia de 85 Km y rodeado de enormes bobinas magnéticas donde los físicos habrían podido verificar de manera indirecta la teoría decadimensional, además de haber encontrado partículas exóticas tales como la misteriosa partícula de Higgs predicha por el Modelo Estándar.  Es la partícula de Higgs la que genera la ruptura de simetría y es por lo tanto el origen de la masa de los quarks. Por consiguiente, la anulación de este proyecto del supercolisionador de partículas nos ha privado de encontrar el “origen de la masa”. Todos los objetos que tienen peso deben su masa a la partícula de Higgs. Incluso, había una posibilidad de que el SSC encontrara partículas exóticas más allá del Modelo Estándar, como “axiones”, que podrían haber ayudado a explicar la materia oscura. También el gravitón, la partícula mediadora en la gravedad, está pendiente de ser encontrada.

Bueno, es posible que aquella decepción sea compensada con el LHC que, el próximo año trabajará a 8 TeV y, posiblemente, para el 2.013, habrá encontrado el Bosón de Higgs que cambiaría el Modelo Estándar de la Física de partículas y…otras cosas.

En aquellos momentos se podían leer comentarios como este:

“Puesto que el supercolisionador no se construirá nunca, y por lo tanto nunca detectará partículas que sean resonancias de baja energía o vibraciones de la supercuerda, otra posibilidad consiste en medir la energía de rayos cósmicos, que son partículas subatómicas altamente energéticas cuyo origen es aún desconocido, pero que debe estar en las profundidades del espacio exterior más allá de nuestra galaxia. Por ejemplo, aunque nadie sabe de dónde vienen, los rayos cósmicos tienen energías mucho mayores que cualquier cosa encontrada en nuestros laboratorios de pruebas.”

Los rayos cósmicos son impredecibles en cuanto a su energía aleatoria. Hace ya aproximadamente un siglo que fueron descubiertos por un padre jesuita de nombre Theodor Wolf en lo alto de la Torre Eiffel en París. Desde entonces, el conocimiento adquirido de estos rayos es bastante aceptable; se buscan y miden mediante el envio de contadores de radiación en cohetes e incluso en satélites a gran altura alrededor del planeta Tierra para minimizar agentes interceptores como los efectos atmosféricos que contaminan las señales. Cuando los rayos energéticos, altamente energéticos, inciden en la atmósfera, rompen los átomos que encuentran a su paso y los fragmentos que se forman caen a tierra donde son detectados por aparatos colocados al efecto en la superficie.

                                                                             Hercules X-1

El detector de Utah, a unos 140 Km al suroeste de Salt Lake City, es lo suficientemente sensible como para detectar la procedencia, el origen de los rayos cósmicos más energéticos. Hasta el momento, Cygnus X-3 y Hércules X-1 han sido identificados como poderosos emisores de rayos cósmicos.  Probablemente son grandes estrellas de neutrones, o incluso agujeros negros en rotación engullendo a sus estrellas vecinas que, inocentes, han osado traspasar el horizonte de sucesos. Cuando el material de la estrella traspasa ese punto de no regreso, crea un gran vórtice de energía y escupe cantidades gigantescas de radiación (por ejemplo, protones) al espacio exterior.

Muchas son las fuentes detectadas de rayos cósmicos a lo largo del Universo. Los rayos cósmicos son partículas que llegan desde el espacio y bombardean constantemente  la Tierra desde todas direcciones. La mayoría de estas partículas son protones o núcleos de átomos. Algunas de ellas son más energéticas que cualquier otra partícula observada en la naturaleza. Los rayos cósmicos ultraenergéticos viajan a una velocidad cercana a la de la luz y tienen cientos de millones de veces más energía que las partículas producidas en el acelerador más potente construido por el ser humano.

Hasta la fecha, el rayo cósmico más energético detectado tenía una energía de 10²⁰ electrón voltios. Esta cifra supone una increíble energía diez millones de veces mayor de la que se habría producido en el SSC o ahora el LHC. Dentro de este siglo, seguramente, será difícil alcanzar con nuestras máquinas, energías aproximadas. Aunque esta fantástica energía es todavía cien millones de veces menor que las energías necesarias para sondear la décima dimensión, se espera que energías producidas en el interior profundo de los agujeros negros en nuestra galaxia se acercaran a la energía de Planck. Con grandes naves espaciales en orbita deberíamos ser capaces (seremos) de sondear en lo más profundo de estas estructuras gigantescas de fuentes energéticas que, abundantemente, están repartidas a lo largo y ancho del universo.

Los rayos cósmicos están presentes por todo el Universo allí donde se producen sucesos de grandes energías, como radiogalaxias, explosiones supernovas, e incluso, en colisiones de estrellas de neutrones.

Según una teoría favorita, la mayor fuente de energía dentro de nuestra galaxia (mucho más allá de cualquier cosa imaginable), está en el mismo corazón de la Vía Láctea, en el centro, a 30.000 años luz de nuestro Sistema Solar, y puede constar de millones de agujeros negros.

En física nada se puede descartar, la inaccesibilidad de hoy a la energía de Planck se puede suplir por descubrimientos inesperados que, poco a poco, nos lleve cada vez más cerca de ella, hasta que finalmente tengamos el conocimiento y la tecnología necesarias para poder alcanzarla.

Sabemos exactamente de qué están compuestas las estrellas del cielo que, en las que por cierto, exista una gran variedad de elementos, no todas están hechas de la misma materia dependiendo a qué generación puedan pertenecer.

No olvidemos que en el siglo XIX, algunos científicos declararon que la composición de las estrellas estaría siempre fuera del alcance del experimento, y que la única manera que tendríamos de conocerlas sería la de mirar al cielo y verlas allí, inalcanzables como puntos de luz brillantes y lejanos en la oscuridad del vacío del cosmos. Sin embargo, podemos decir hoy, a comienzos del siglo XXI, año 2.008, que no sólo podemos saber la composición de las estrellas, sino también como nacen y mueren, las distancias que los separan de nosotros y un sin fin de datos más.

Particularmente creo que el ser humano es capaz de realizar todo aquello en lo que piensa dentro de unos límites racionales. Podremos, en un futuro no muy lejano, alargar de manera considerable la media de vida. Podremos colonizar otros planetas y explotar recurso mineros en las lunas de nuestro Sistema Solar; los turistas irán al planeta Marte o a las lunas Ganímedes o Europa. Los transportes de hoy serán reliquias del pasado y nos trasladaremos mediante sistemas de transportes más limpios, rápidos y exentos de colisiones. Tendremos computadoras de cifrado cuántico que harán más seguras las comunicaciones y el intercambio de datos será realmente el de la velocidad de c, así en todos los campos del saber humano.

La mente humana, conectada al Universo del que forma parte, evoluciona sin cesar y, llegado el momento, podría tener una gran cantidad de respuestas que, desde luego, necesitamos conocer para sobrevivir en este complejo y vasto Cosmos.

Estamos inmersos en un avance exponencial, imparable.

Otro ejemplo de una idea “inverificable” la tenemos en la existencia del átomo. En el siglo XIX, la hipótesis atómica se reveló como el paso decisivo en la comprensión de las leyes de la química y la termodinámica. Sin embargo, muchos físicos se negaban a creer que los átomos existieran realmente, los aceptaban como un concepto o herramienta matemática para operar en su trabajo que, por accidente, daba la descripción correcta del mundo.  Hoy somos todavía incapaces de tomar imágenes directas del átomo debido al principio de incertidumbre de Heisemberg, aunque ahora existen métodos indirectos. En 1.905, Einstein proporcionó la evidencia más convincente, aunque indirecta, de la existencia de átomos cuando demostró que el movimiento browniano (es decir, el movimiento aleatorio de partículas de polvo suspendidas en un líquido) puede ser explicado como colisiones aleatorias entre las partículas y los átomos del líquido.

Albert Einstein, había demostrado la existencia de los átomos. Esto lo hizo gracias al siguiente problema: ¿por qué los granos de polen “saltan” en el agua?.  Einstein llegó a la conclusión de que esto sólo podía ser posible si los átomos existían, y esto se comprobó por las exactísimas predicciones que se lograban con los cálculos de Einstein sobre este extraño movimiento:  el movimiento Browniano.

Por analogía, podríamos esperar la confirmación experimental de la física de la décima dimensión utilizando métodos indirectos que aún ni se han inventado o descubierto. En lugar de fotografiar el objeto que deseamos, quizá nos conformaríamos, de momento, con fotografiar la “sombra” del mismo.

emilio silvera

La infinitud de la creación es suficientemente grande como para hacer que un mundo, o una Vía Láctera de mundos, parezca, en comparación con ella, lo que una flor o un insecto en comparación con la Tierra,

Immanuel Kant

Una simple región de nuestro Grupo Local de Galaxias ya resulta de una inmensidad que, nuestras mentes tridimensionales, difícilmente llegan a comprender. La infinitud de las distancias espaciales nos han obligado a crear medidas especiales para poder controlar las enormes distancias a las que están situados los objetos celestes.

Al mencionar dimensiones más altas (ahora trabajamos con tres de espacio y una temporal), se me ocurre, como ejemplo cotidiano y sencillo, el referirme al general que, escondido con su ejército en la profundidad de un enorme valle, no sabía qué estrategia emplear para vencer a sus enemigos. Pensando en cómo resolver el problema, ascendió con sus capitanes a lo alto de la montaña, y con sorpresa vio desde aquella altura todas las posiciones enemigas. Así, de aquel nuevo conocimiento, adquirido al subir más alto, pudo extraer consecuencias de lo que vio para preparar la estrategia adecuada y alcanzar la meta, en este caso, la victoria.

El enemigo bien localizado desde arriba no presiente lo que le espera

Pues, de la misma manera, nosotros también estamos obligados a subir a la montaña que nos permita ver más allá de las matemáticas topológicas, más allá de las fluctuaciones de vacío, más allá de los quarks, más allá de las singularidades y… ¿por qué no decirlo?, más allá de nuestro propio universo. No podemos olvidarnos de que dentro de varios eones, nuestro universo podría morir. Estamos obligados a buscar la manera (si existe) de escapar de ese destino fatal.

Lo cierto es que, en este mundo nuestro y con nuestra conformación y percepciones, no será nada fácil acceder a ese otro mundo (si en verdad existe) de más dimensiones, ya que, aparte de las tres espaciales y la temporal que añadió la relatividad general de Einstein, por muchos esfuerzos que hemos realizados, las otras dimensiones extras sólo han aparecido en las matemáticas.

Si el universo finalmente se convierte en una singularidad que es una región donde (según las leyes de la relatividad general) la curvatura del espacio-tiempo se hace infinitamente grande, y el espacio-tiempo deja de existir, toda vez que la singularidad es también una región de gravedad de marea infinita, es decir, una región donde la gravedad ejerce un tirón infinito sobre todos los objetos a lo largo de algunas direcciones y una compresión infinita a lo largo de otras.

Región de una densidad inusitada donde se concentra la masa en una fase más alla de la neutrónica, desconocida, que se reduce y reduce hasta desaparecer, sólo deja a su alrededor un disco de acreción de extrema energía que marca el horizonte de suscesos, la linea de irás y no volveras. A partir de ese momento, el Agujero negro engullirá todo lo que por sus dominios pueda pasar y la singularidad, se hará más y más densa cada vez.

Después de crear un horizonte de agujero negro a su alrededor, dicen las ecuaciones que describen este fenómeno, la materia toda que compone nuestro universo, continuará implosionando, inexorablemente, hasta alcanzar densidad infinita y volumen cero, creándose así la singularidad que estará fundida con el espacio-tiempo.

Si eso ocurre (como es muy posible), seguramente, de esa “nada” que se ha formado, más pronto o más tarde surgirá mediante una enorme explosión un nuevo universo, que no sabemos si será igual, con las mismas fuerzas y las mismas leyes que el que ahora tenemos.

Así que, si todo esto resulta ser así, ¿no sería una irresponsabilidad el no hacer nada? ¡Claro que sí! Tenemos que continuar, cada uno en la medida de sus posibilidades, procurando avanzar hacia un futuro de profundos conocimientos que nos permitan, algún día lejano, muy lejano, situado en eso que llamamos futuro, escapar de ese escenario de destrucción.

                    Es una de las maneras que han sido postuladas para el surgir de un universo a partir de agujeros negros muy masivos

Si por el contrario, el final del universo no es el Big Crunch, y resulta que estamos viviendo en un universo plano con expansión eterna, tampoco parece que el panorama sea más alentador; sólo varía que, en lugar de terminar con una enorme bola de fuego a miles de millones de grados, el alejamiento paulatino de las galaxias por la expansión imparable del universo, nos traerá el frío del cero absoluto, -273 grados, con lo cual, de la misma manera, el final sería igual de triste para nosotros: la desaparición de la Humanidad.

                               Galaxias que se alejan las unas de las otras haciendo más y más frío el espacio interestelar por falta de materia

Como nos queda mucho tiempo para llegar a ese hipotético final, retomemos mejor otras cuestiones futuras, pero más cercanas.

¿Qué son las D-branas? ¿Por qué las requiere la teoría de cuerdas? La respuesta básica a la segunda pregunta es que dan sentido a las cuerdas abiertas que intervienen en la teoría tipo I: cada uno de los dos extremos de una cuerda abierta debe residir en una D-brana. Pero dos extremos de la cuerda abierta residen en un subespacio (q + 1)-dimensional de género tiempo llamado una D-brana, o D-q-brana que es una entidad esencialmente clásica (aunque posee propiedades de supersimetría), que representa una solución de la teoría de supergravedad 11 dimensional.

En todo esto habrá que estar atentos a lo que nos pueda decir la topología, esa rama de la geometría que se ocupa de las propiedades de los objetos geométricos que permanecen inalterables bajo deformaciones continuas, como el doblado o el estirado. Las técnicas matemáticas que emplean la topología son de gran importancia en las teorías modernas de las interacciones fundamentales.

En respuesta a la primera pregunta, una D-brana es una estructura de género tiempo, como más arriba indico, 1 + q dimensiones espaciotemporales. Invocando una de las dualidades de la teoría M, alternativamente podemos considerar una D-brana como una solución de las ecuaciones de alguna otra versión de la teoría M de cuerdas.

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

Con la introducción de tales D-branas, varios teóricos han expresado una “filosofía de cuerdas” que parece representar un profundo cambio respecto a lo anterior. En efecto, se afirma con cierta frecuencia que podríamos “vivir en” esta o esa D-brana, lo que significa que nuestro espacio-tiempo percibido podría yacer realmente dentro de un D-brana, de modo que la razón de que no se perciban ciertas “dimensiones extra” se explicaría por el hecho de “nuestra” D-brana no se extiende a esas dimensiones extra.

La última posibilidad sería la postura más económica, por supuesto, de modo que “nuestra” D-brana (una D-3-brana) sería de 1 + 3 dimensiones. Esto no elimina los grados de libertad en las dimensiones extra, pero los reduce drásticamente. ¿Por qué es así? Nuestra perspectiva ahora es que somos “conscientes” de los grados de libetad que están implicados en el interior profundo del espacio de mayores dimensiones entre las D-branas, y es en esto donde se está dejando sentir la excesiva libertad funcional.

Sólo vamos a ser conscientes de dimensiones extra allí donde inciden directamente sobre las D-brana en la que “vivimos”. Más que una imagen de tipo “espacio cociente” que evoca la analogía de Kaluza-Klein original:

El gráfico representa un modelo de manguera de un espacio-tiempo de dimensiones más altas de tipo Kaluza-Klein, donde la longitud, o mejor, la dimensión a lo largo de la longitud de la manguera representa el 4-espacio-tiempo normal, y la dimensión alrededor de la manguera representa la dimensión extra “pequeñas” (quizá escala de Planck). Imaginemos un “ser” que habite en este mundo, que rebasa estas dimensiones extra “pequeñas”, y por ello no es realmente consciente de ellas.

Así, nuestro espacio-tiempo observado aparece ahora como un subespacio 4-dimensional del espacio real de dimensiones más altas. Con algo de imaginación, lo podemos visualizar en nuestra mente.

           Es posible que en el Universo estén presentes dimensiones que no podemos percibir. Sin embargo, las estamos buscando.

¿Cuánta libertad funcional esperamos ahora? La situación es ahora algo parecida a la imagen geométrica que hemos adoptado en el gráfico para obtener una perspectiva más convencional con respecto a la “supergeometría”. Puesto que ahora estamos interesados solo en el comportamiento en la D-brana (que suponemos que es geométricamente una (1 + 3)-superficie ordinaria), podemos imaginar que nuestra libertad funcional se ha convertido en una aceptable , aunque para un M bastante grande. Sin embargo, incluso esto supone que la restricción de la dinámica en el 10-espacio (un 11-espacio) completo nos proporciona ecuaciones dinámicas dentro de “nuestra” D-brana 4-dimensional que son del tipo convencional, de modo que bastarán los datos iniciales en una 3-superficie para determinar el comportamiento en todo el 4-espacio. Esto es difícilmente probable, en general, de modo que aún cabe esperar un excesivo . ¡El problema no ha desaparecido todavía!

Tal actitud hacia las D-branas se ha utilizado para intentar resolver el problema de la jerarquía del gráfico siguiente:

Según cierta perspectiva de “gran unificación”, las constantes de acoplamiento de las interacciones fuerte, débil y electromagnética, tratadas como constantes de acoplamiento móviles, deberían alcanzar exactamente el mismo valor a temperaturas suficientemente grandes, aproximadamente 10²⁸ K, que se habrían dado alrededor de 10.000 instantes de Planck después del Big Bang (~10^-39 s). Se ha visto que la supersimetría es necesaria para resolver que los tres valores coincidan exactamente.

En concreto, esta es la cuestión de por qué las interacciones gravitatorias son tan minúsculas comparadas con las demás fuerzas importantes de la naturaleza o, de manera equivalente, por qué es la masa de Planck tan enormemente mayor que las masas de las partículas elementales de la naturaleza (en un factor de, aproximadamente, 10²⁰). La aproximación de la D-brana a este problema parece requerir la existencia de más de una D-brana, una de las cuales es “grande” y la otra “pequeña”. Hay un factor exponencial involucrado en cómo se estira la geometría desde una D-brana hasta la otra, y esto se considera una ayuda para abordar la discrepancia en 10⁴⁰, más o menos, entre las intensidades de la fuerza gravitatoria y las otras fuerzas.

Claro que, a todo esto, quién sabe la realidad de la dinámica de la que se vale el Universo para conseguir las cosas que en él podemos contemplar. Algunas nos son conocidas, otras están en la más espesa oscuridad, y, a medida que podamos ir desvelando esos secretos, nuestras mentes evolucionaran y entraran en nuevas fases de comprensión que nos llevarán hacia un nuevo Universo

Se puede decir que este tipo de imagen de espacio-tiempo de dimensiones más altas, que se estira desde la frontera de una D-brana hasta la otra, es uno de los tipos de geometría sugeridos por las teorías 11 dimensionales, tales como la teoría M, donde la undécima dimensión tiene la forma de un segmente abierto, y la geometría de cada frontera tiene la forma topológica (por ejemplo, M×V) de los 10 espacios considerados antes. En otros modelos, la undécima dimensión es topológicamente S¹.

¿Qué harán de todo esto los físicos con respecto al estatus de la teoría de cuerdas como una teoría física para el futuro?

Hemos podido llegar a comprender la evolución de los átomos en las estrellas, y, sabemos también de qué materiales están hechas y por qué brillan en esa que llamamos la secuencia principal. De la misma manera, llegaremos a comprender lo que es una singularidad, de qué está hecha, o, en que se ha convertido aquella materia primera que la formó, entraremos en ese “nuevo mundo de las más altas dimensiones” y, no es de extrañar que, pasado algún tiempo, podamos hablar de formas viajeras que ahora, no podríamos comprender.

El final de esto esto es: ¡Viajar a las Estrellas! Allí están nuestros orígines y hacia allí nos encaminamos.

emilio silvera

Durante mucho tiempo se creyó que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos eran partículas “elementales”, pero experimentos en los aceleradores de partículas en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a velocidades cercanas a la de la luz indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas aun más pequeñas.  Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, el norteamericano, Murray Gell–Mann, que ganó el Nobel en 1.969 por su trabajo sobre dichas partículas y el modelo del óctuple camino.

Desde que Max Planck sembrara aquella primera semilla, la teoría cuántica ha avanzado hasta cotas de icreíble perfección en simetría y resultados, procurando al hombre/mujer una máquina muy valiosa para el conocimiento de la Naturaleza del Universo y la materia que lo puebla.

La palabra quark se supone que debe pronunciarse como quart (“cuarto”), pero con una k al final en vez de una t, pero normalmente se pronuncia de manera que rima con lark (“juerga”).

Existen un cierto número de quarks:

• Up (arriba),
• Down (abajo),
• Strange (extraño),
• Charmed (encantado),
• Bottom (fondo) y
• Top (cima).

Los quarks son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, no paseen ningún color en el sentido normal de la palabra. Así, los colores que le asignan los físicos están referidos a cuestiones imaginativas para nombrar a las nuevas partículas a las que asignar colores entre el rojo, verde y azul.

Ahora sabemos que un protón y un neutrón están constituidos por quarks, uno de cada color. Un protón contiene dos quarks up y un quark down; un neutrón contiene dos down y uno up. Se pueden crear partículas constituidas por los otros quarks (strange, charmed, bottom y top), pero todas ellas poseen una masa mucho mayor y decaen muy rápidamente en protones y neutrones.

Actualmente sabemos que ni los átomos, ni los protones y neutrones, dentro de ellos, son indivisibles. La cuestión que se nos plantea es: ¿cuáles son las verdaderas partículas elementales, los ladrillos básicos con los que están hechas todas las cosas, desde una gota de rocío, a una rosa, pasando por nosotros mismos o una inmensa galaxia?

Pero eso sí, tengo muy clara una cuestión:

Después de lo anteriormente explicado está claro que tenemos que dominar lo muy pequeño para poder dominar lo muy grande.

El dominio (relativo) del universo atómico, como hemos visto antes, nos ha reportado grandes beneficios. Sin embargo, nos queda aún mucho camino por recorrer.

Conocemos de otras muchas funciones que en la materia y las partículas que las confroman están presentes, sin embargo, no sabemos que puede haber más alla de los Quarks, esas distancias a las que podrían encontrarse esos otros objetos (si en realidad existen, como por ejemplo las cuerdas), no están a nuestro alcance, no podemos disponer de la Energía de Planck, 10¹⁹ GeV para llegar hasta ellas. Poe ejemplo, la masa del protón es del orden de 10^-27 kg y las mayores energía alcanzables en nuestros aceleradores actuasles son del orden de 10³ GeV (aunque ahora con el LHC tenemos hasta 14 TeV), pero los efectos de la gravitación cuántica no aparecen en los laboratorios de física de partículas. Sin embargo, en el Universo primitivo las partículas tenían energías del orden de la masa de Planck, 10^-8 kg que es la equivalente en energía a los 10¹⁹ GeV que serían necesarios para sondear, no ya a los Quarks sino también a las cuerdas.

El Modelo Estándar de la física nos explica (con sus defectos) las partículas elementales que conforman la materia: quarks, hadrones, leptones, etc.  También nos explica las fuerzas que interaccionan con estas partículas: la nuclear fuerte y la débil, el electromagnetismo y la gravedad. Veamos alguna característica y para qué sirven dichas fuerzas, así como su alcance y potencia.

                                                                                   Muchos son los miterios que nos quedan por resolver.

El Universo se rige por estas cuatros fuerzas fundamentales (al menos que sepamos, de momento no se sabe de la existencia de alguna otra, aunque a veces sospecho que la Gravedad, no está totalmente entendida y, podría, tener alguna otra ramificación desconocida que oculta su caracter “repulsivo”, es decir, que podría ser, como el electromagnetismo tanto atractiva como respulsiva en circunstancias dadas, y, precisamente ahí podría radicar el misterio del alejamiento de las galaxias que endosamos a la materia oscura. Bueno, es sólo una idea.

Fuerza nuclear fuerte

Su alcance en metros: < 3 × 10^-15, se dice que la propiedad de los quarks conocida como libertad asintótica hace que la interacción entre ellos sea débil cuanto más cerca están los unos de los otros, están confinados con los gluones en un radio o región de:  r » hc/L » 10^{-13 cm.}

Al contrario de las otras fuerzas, esta crece con la distancia. Tiene una fuerza relativa de 10⁴¹. Es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico.

La partícula portadora de la fuerza es el gluón (glue en inglés, es pegamento) que en número de ocho, actúa como un espeso pegamento en forma de muelle que, cuanto más se estira más fuerza genera.

La interacción nuclear fuerte es la mayor, la de más potencia de las cuatro fuerzas fundamentales, es 10² veces mayor que la fuerza electromagnética, aparece sólo entre los hadrones (protones, neutrones, etc). Como dijimos al principio, actúa a tan corta distancia como 10^-15 metros, mediado por los mesones virtuales que llamamos Gluones.

              Fuerza nuclear débil

La fuerza nuclear débil (o interacción débil) permite que los neutrones se conviertan en protones emitiendo radiación durante el proceso, esto lo hace por medio de la desintegración beta  con los con los bosones W,  ademas también emite un electrón y un electrón anti-neutrino. La razón por la cual un neutrón se convierte en proton, es por que en su composición normal esta conformado por dos quarks down y un quark up, el neutrón se convierte, cuando un quark down cambia su “sabor” a up.

Fuerza nuclear débil

Su alcance es de < 10^-15 metros, su fuerza relativa de 10²⁸, intervienen en la radiación radiactiva, ocurre entre leptones (electrones, muones, tau y los correspondientes neutrinos asociados) y en la desintegración de los hadrones, la desintegración beta de las partículas y núcleos. Está mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios: en este caso, las partículas W⁺, W^- y  Z⁰. Esta interacción se describe por la teoría electrodébil que la unifica con las interacciones electromagnéticas.

En este proceso llamado desintegración beta y debido a la interacción débil, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un (anti)neutrino electrónico cuando uno de los quarks del neutrón emite una partícula W–. Aquí queda claro que el término “interacción” es más general que “fuerza”; esta interacción que hace cambiar la identidad de las partículas no podría llamarse fuerza

Las interacciones electromagnéticas

Tiene un alcance infinito, su fuerza relativa es de 10³⁹, es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Unen los átomos para formar moléculas, propaga la luz, las ondas de radio y otras formas de energías.

Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario de las interacciones gravitacionales, puede ser tanto atractiva como repulsiva.

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales.

Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tienen una teoría clásica bien definida dada por las ecuaciones de Maxwell.

La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas, se describen con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

La interacción gravitacional

La interacción gravitacional, conocida como la fuerza de gravedad, es unas 10⁴⁰ veces más débil que la interacción electromagnética; es la más débil de todas las fuerzas de la naturaleza.  Su alcance, como el de la fuerza electromagnética, es infinito, y su fuerza relativa es de 1. Su función es actuar entre los cuerpos masivos sobre los que ejerce una fuerza atractiva en función de sus masas y de las distancias que los separa, mantienen unidos los planetas alrededor del Sol, las estrellas en las galaxias y nuestros pies pegados a la superficie de la Tierra.

La interacción puede ser comprendida utilizando un campo clásico en el que la intensidad de la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre los cuerpos interaccionantes (Ley de Newton).

El hipotético cuanto de gravitación, el bosón denominado gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, la fuerza gravitacional es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener el equilibrio entre los componentes del universo.

Sin la fuerza de gravedad, el universo sería un completo caos, todos los planetas, estrellas y demás objetos cosmológicos estarían vagando sin rumbo por el vacío estelar y las colisiones serían lo cotidiano.

Debido a que las interacciones gravitacionales son de largo alcance, hay una teoría macroscópica bien definida, que es la relatividad general de Einstein.

Por el momento no hay teoría cuántica de la gravedad que sea satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas, en su versión más avanzada conocida como teoría M de Edward Witten, nos pueda dar una teoría cuántica de la gravedad que sea consistente y nos explique cuestiones que ahora no tienen respuestas.

emilio silvera

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La teoría cuántica, recordémoslo, afirma que para todo objeto existe una función de onda que mide la probabilidad de encontrar dicho objeto en un cierto punto del espacio y del tiempo. La teoría cuántica afirma también que nunca se conoce realmente el estado de una partícula hasta que se haya hecho una observación. Antes de que haya una medida, la partícula puede estar en uno de entre una diversidad de estados, descritos por la función de onda de Schrödinger. Por consiguiente, antes de que pueda hacerse una observación o medida, no se puede conocer realmente el estado de la partícula. De hecho, la partícula existe en un estado ultramundano, una suma de todos los estados posibles, hasta que se hace una medida.

Cuando esta idea fue propuesta por primera vez por Niels Bohr y Werner Heisemberg, Einstein se revolvió contra ella. “¿Existe la luna sólo porque la mira un ratón?“, le gustaba preguntar. Según la teoría cuántica, en su más estricta interpretación, la Luna, antes de que sea observada, no existe realmente tal como la conocemos. “La Luna puede estar, de hecho, en uno cualquiera de entre un número infinito de estados, incluyendo el estado de estar en el cielo, de estar explotando, o de no estar allí en absoluto. Es el proceso de medida que consiste en mirarla el que decide que la Luna está girando realmente alrededor de la Tierra“. Decía Einstein con ironía.

Einstein no pensó en la posibilidad de que fuera la Luna la que nos esté mirando

Edwin Schrödinger, autor de la ecuación con su función de onda, se disgustó con estas interpretaciones de su ecuación. Para demostrar lo absurdo de la situación creada, Schrödinger colocó un gato imaginario en una caja cerrada. El gato estaba frente a una pistola, que está conectada a un contador Geiger, que a su vez está conectado a un fragmento de uranio. El átomo de uranio es inestable y sufrirá una desintegración radiactiva. Si se desintegra un núcleo de uranio, será detectado por el contador Geiger que entonces disparará la pistola, cuya bala matará al gato.

Para decidir si el gato está vivo o muerto, debemos abrir la caja y observar al gato. Sin embargo, ¿cuál es el estado del gato antes de que abramos la caja? Según la teoría cuántica, sólo podemos afirmar que el gato está descrito por una función de onda que describe la suma de un gato muerto y un gato vivo.

Para Schrödinger, la idea de pensar en gatos que no están ni muertos ni vivos era el colmo del absurdo, pero la confirmación experimental de la mecánica cuántica nos lleva inevitablemente a esta conclusión. Hasta el momento, todos los experimentos han verificado, favorablemente, la teoría cuántica.

La paradoja del gato de Schrödinger es tan extraña que uno recuerda a menudo la reacción de Alicia al ver desaparecer el gato de Cheshire en el centro del cuento de Lewis Carroll: “Allí me verás“, dijo el Gato, y desapareció, lo que no sorprendió a Alicia que ya estaba acostumbrada a observar cosas extrañas en aquel lugar fantástico. Igualmente, los físicos durante años se han acostumbrados a ver cosas “extrañas” en la mecánica cuántica.

La Mecánica cuántica, es , más fascinante el el Pais de las Maravillas de Alicia

Existen varias maneras de abordar esta dificultad de lo incomprensible en mecánica cuántica. En primer lugar, podemos suponer que Dios existe. Puesto que todas las “observaciones” implican un observador, entonces debe haber alguna “conciencia” en el universo. Algunos físicos como el premio Nobel Eugene Wigner, han insistido en que la teoría cuántica prueba la existencia de algún tipo de conciencia cósmica universal.

La segunda forma de tratar la paradoja es la preferida por la gran mayoría de los físicos en activo: ignorar el problema.

El físico Richard Feynman dijo en cierta ocasión: “Creo que es justo decir que nadie comprende la mecánica cuántica. No siga diciéndose a sí mismo, si puede evitarlo, “¿pero cómo puede ser así?” porque usted se meterá “hasta el fondo” en un callejón sin salida del que nadie ha escapado. Nadie sabe como puede ser eso“. De hecho, a menudo se ha dicho que de todas las teorías propuestas en el siglo XX, la más absurda es la teoría cuántica. Algunos dicen que la única cosa que la teoría tiene a su favor es que “es indudablemente correcta”.

¿Siempre será parte del misterio?

Sin embargo, existe una tercera forma de tratar esta paradoja, denominada teoría de los muchos universos. Esta teoría (como el principio antrópico) no gozó de mucho favor en la última década, pero está siendo revitalizada por la función de onda del universo de Stephen Hawking.

Existe un principio de la física denominado Navaja de Occam, que afirma que siempre deberíamos tomar el camino más sencillo posible e ignorar las alternativas más complicadas, especialmente si las alternativas no pueden medirse nunca.

Para seguir fielmente el consejo contenido en la navaja de Occam, primero hay que tener el conocimiento necesario para poder saber elegir el camino más sencillo, lo que en la realidad, no ocurre. Nos faltan los conocimientos necesarios para hacer las preguntas adecuadas.

Hugo Everett, Bryce DeWitt y ahora Hawking (también otros), han propuesto la teoría de los universos múltiples. En unos universos los protones se desintegran antes haciendo inestable la materia, en otros, el átomo de uranio se desintegra mediante un proceso sin radiaciones, y en otros universos las constantes universales que existen en el nuestro, son totalmente diferentes y no dan posibilidad alguna para la existencia de seres vivos. Está claro que cualquier variación que en principio pudiera parecer sin importancia, como por ejemplo la carga del electrón, podría transformar radicalmente nuestro universo.

Helena de Troya o Helena de Esparta,

Como apuntó el físico Frank Wilczek:

“Se dice que la historia del mundo sería totalmente distinta si Helena de Troya hubiera tenido una verruga en la punta de su nariz.”

Hasta el momento, se han celebrado varias conferencias internacionales sobre la función de onda del universo. Sin embargo, como ocurre en la teoría de supercuerdas, las matemáticas implicadas en la función de onda del universo, parecen estar más allá de la capacidad de cálculo que cualquier humano en este planeta pudiera resolver, y tendríamos que esperar años antes de que aparezca un individuo genial que pudiera encontrar una solución rigurosa a las ecuaciones de Hawking.

Recordemos aquí de nuevo que, precisamente ahora, un siglo más tarde, en el Congreso Internacional de Matemáticas celebrado en Madrid este mes de Agosto de 2.006, se otorgó la Medalla Field (una especie de Nobel de las matemáticas) al matemático ruso Perelman, extraño Ser que no ha comparecido a la cita y la ha rechazado. Perelman ha resuelto la conjetura expuesta por Poincaré planteada en 1.904.

La conjetura de Poincaré de 1.904, en el año 2.000, fue catalogada por el Instituto Planck como uno de los siete problemas del milenio. Para hacer un comentario sobre esta conjetura tengo que referirme a la topología, el nivel de las matemáticas donde está ubicada.

La topología es la geometría de los objetos elásticos o flexibles que cambian de forma pero tienen las mismas propiedades que antes de ser estirados, achatados, etc. Se pueden retorcer pero no cortar ni pegar.

Los topólogos no tienen en cuenta la distancia, puesto que se puede variar al deformar el objeto, sino nociones más sutiles. Los orígenes de la topología se remontan a mediados del siglo XVIII, con los trabajos de Euler en teoría de grafos, que llamó “análisis situs”.

A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, la topología recibió un gran impulso con los trabajos de Poincaré, matemático francés muy influyente en el posterior desarrollo de diversas áreas de las matemáticas y de la física. En particular, en 1.904 planteó la conjetura que lleva su nombre y que no se ha resuelto hasta el siglo XXI. Este problema ha sido un motor para la investigación en topología de todo el siglo pasado y se ha llegado a su resolución con ideas nuevas y apasionantes.

Para situarnos mejor debemos hablar de las variedades, espacios que tienen una dimensión determinada. Por ejemplo una recta o un circulo son variedades de dimensión uno, puesto que se describen como un parámetro. El plano o la esfera son ejemplos de variedades bidimensionales, al utilizar dos parámetros para describir sus posiciones. El espacio en que vivimos es una variedad tridimensional, y si le añadimos la dimensión temporal, el espacio-tiempo es una variedad de dimensión cuatro. Ya he comentado en este mismo trabajo cómo las singularidades geométricas, las variedades, fueron introducidas por Riemann a mediados del s. XIX y constituyeron una herra-mienta clave para la física del siglo XX. De hecho, la teoría de la relatividad especial de Einstein fue postulada por Einstein en 1.905, pero hasta que no incorporó las variedades contenidas en el tensor métrico de Riemann, no pudo completar la teoría de la relatividad que incluía los espacios curvos.

La pregunta que hizo Poincaré fue la siguiente: ¿Es la esfera la única variedad tridimensional para la cual toda curva se contrae?

Se pasó un siglo entero antes de que un genio de las matemáticas, el extraño G. Perelman, pudiera demostrar la conjetura de Poincaré. Tan extraño es el personaje que no ha querido venir a España a recibir la medalla Field conquistada con su trabajo reconocido por todos sus colegas y que recibiría de manos del Rey de España. Se desconoce si aceptará el premio en metálico de 1 millón de dólares que lleva consigo dicho triunfo de resolver la conjetura.

Mientras tanto, Perelman ha dejado su trabajo, ha rechazado una cátedra de matemáticas que le ofrecieron en Princeton y junto a su madre, vive en San Petersburgo en una humilde vivienda y compartiendo una miserable pensión de 72 euros al mes. Trabaja aislado y en silencio durante horas encerrado en su mundo y cuando se agota, para relajarse, sale al campo a buscar setas.

Grigori Perelman

PROFESIÓN: PROFESOR EN PARO

EDAD: 44 AÑOS

ORIGEN: SAN PETERSBURGO (RUSIA)

QUÉ HA HECHO: DEMOSTRAR UNA CONJETURA MATEMÁTICA QUE LLEVABA PLANTEADA 100 AÑOS Y RECHAZAR TODO RECONOCIMIENTO.

Es el típico caso del niño superdotado que termina siendo un sabio “raro”, en plan “profesor Tornasol”. En la comunidad matemática es conocido desde hace muchos años por sus brillantes avances y por sus victorias en los “campeonatos matemáticos”. Se lo disputan las universidades de medio mundo y ha dado clase nada menos que en el Massachusetts Institute of Technology. Empezó a trabajar en 2002 sobre la conjetura de Poincaré, planteada por el sabio francés en 1904 y que pudo con los más egregios matemáticos del siglo XX. El Clay Mathematics Institute prometía un millón de dólares a quien lograra demostrarla.

Esta es la vida que ha elegido el hombre que ha sido considerado el más listo del mundo en la actualidad. He repetido prácticamente la historia contada antes en páginas anteriores para que el lector pueda apreciar cómo, de vez en cuando, surgen genios que al estar en posesión de la verdad, desprecian los bienes materiales y se nutren de los verdaderos bienes que alimentan la mente y el espíritu; no dedican su tiempo a cosas que, para ellos, no tienen importancia.

¡Misterios de la vida!

Seguramente, en la mente de personajes como Perelman están escondidas las soluciones que la humanidad necesita par resolver sus problemas. Como Gauss, Riemann, Hamilton, Euler, Ramanujan y tantos otros antes, y ahora Perelman, pronto aparecerán otros que, seguramente, nos darán las respuestas que aún están pendientes, para que podamos plantear la definitiva teoría decadimensional y tengamos las respuestas a tantas preguntas que no han sido contestadas.

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Un día Einstein fue conducido a postular la teoría de la relatividad general partiendo de un principio físico, el principio de equivalencia (que la masa gravitatoria y la masa inerte de un objeto son iguales, de modo que todos los cuerpos, por muy grande que sean, caen en la Tierra a la misma velocidad). Sin embargo, no se ha encontrado todavía la contrapartida del principio de equivalencia para la teoría de cuerdas.

Está claro, como dice Witten, que la teoría de cuerdas proporciona, de hecho, un marco lógicamente consistente que engloba la gravedad y la mecánica cuántica, pero el principio análogo al de equivalencia que Einstein encontró para su teoría no ha sido aún encontrado para la teoría de cuerdas.

Representación de cuerdas microscópicas interactuando

¿Tendremos que esperar (como para la solución de la conjetura de Poincaré) cien años para resolver la teoría de supercuerdas? ¡Quién sabe! El problema es muy complejo y encierra muchas cuestiones teóricas que, experimentalmente, no estamos capacitados ni tenemos los medios para poder comprobar. No debemos desanimarnos, el sino de la humanidad, a lo largo de toda su historia, siempre ha sido una constante de ir salvando obstáculos que cuando se presentaban parecían insalvables.

Ahora nuestra esperanza media de vida ronda los 80 años y el tiempo que tenemos por delante (me refiero al tiempo del universo) es muy largo. ¿Qué no seremos capaces de conseguir?

Basta repasar los logros de los últimos 150 años en las distintas ramas del saber humano para asombrarnos de la enorme capacidad de trabajo, sacrificio, inventiva e ingenio de nuestra especie que, sobre todo, tiene ¡¡curiosidad!!

Espero que sigamos así.

Conforme a lo que aceptamos hoy en día, toda la materia estaría constituida a partir de estados ligados de Quarks y Leptones, es decir de los quarks u “up” y d “down”, electrones e y neutrinos ѵ, y sus antipartículas. De todos estos objetos, pueden existir hasta un total de otras dos familias más en las que los quarks reciben otras denominaciones y los leptones, en vez de electrones podrían ser muones μ y partícula tau τ. Señalamos que estos objetos poseen distintas masas. Sin embargo, todas tienen en común que son partículas de espín ½. Si a estos objetos le añadimos los Bosones de espín 1, que son los responsables de las interacciones entre ellos, resulta que el poseer esa propiedad mecánica llamada espín es una de las características más importantes de los objetos elementales que constituyen la materia y de los vehículos que utilizan estas partículas elementales para su comunicación. Toda la materia que nos rodea se mueve y rota

El espín del muón es ½. Cuando el espín de una partícula es semi-entero, se la clasifica como perteneciente al grupo denominado fermiones. La carga eléctrica de un muón es igual que la del electrón, pero su existencia es de sólo 2,2 microsegundos. En cambio el electrón es un elemento estable en la Naturaleza.

En el modelo físico de la mecánica cuántica, el muón es una partícula puntual y no tiene volumen. Pero no hay ningún problema para que se le asigne un momento angular (una rotación).

Podemos pensar en que el muón es como una bolita que gira sobre sí misma. Este momento angular se denomina espín y está cuantizado; es decir, que no puede tener cualquier valor, sino múltiplos de una cantidad mínima, que es 1/2. Este valor 1/2 se refiere a la constante reducida de Planck

El muón, al igual que todas las partículas elementales (cuatro en cada una de la tres familias), tiene espín de valor 1/2. A las partículas que tienen espín 1/2, se las denomina fermiones, en honor del físico italiano Enrico Fermi (1901-1954).

Toda la materia que nos rodea se mueve y rota. Las partículas constituyentes no podían ser menos, de ahí que no es de extrañar que las partículas elementales tengan momento angular, que es la expresión mecánica de la medida de su estado interno de rotación. La sorpresa es, quizá, que todas estas partículas tengan exclusivamente el valor no nulo, más bajo posible, que predice la mecánica cuántica.

Claro que, a todo esto, también tenemos que decir que todas estas partículas tienen su contraria, es decir, su antipartícula y, precisamente una nueva evidencia surgida de estudios realizados nos dicen que Materia y Antimateria pueden ser más distintas de lo que hasta ahora se había creído.

Los neutrinos, partículas elementales generadas por las reacciones nucleares en el Sol, padecen una “crisis de identidad” cuando cruzan el universo, metamorfoseándose entre tres “sabores” diferentes. Sus homólogos de antimateria (que son idénticos en masa pero opuestos en la carga y el espín) experimentan también una crisis de identidad. Sin embargo un equipo de físicos ha descubierto ahora diferencias sorprendentes entre neutrinos y antineutrinos en lo que se refiere a su conducta de cambio de “sabor”. Si se confirma, el hallazgo podría ayudar a explicar por qué es la materia y no la antimateria la que domina en nuestro universo.Cada partícula de materia tiene una antipartícula correspondiente de antimateria. Los electrones son partículas negativamente cargadas que rodean el núcleo de cada átomo. El positrón es una antipartícula con la misma masa y magnitud de carga del electrón pero exhibiendo una carga positiva. Cuando la materia ordinaria, como por ejemplo un electrón, se combina con una cantidad igual de antimateria, como por ejemplo un positrón, ambas se aniquilan mutuamente.

El aparentemente ineludible hecho de que las partículas de materia y antimateria se destruyen entre sí al contacto, ha desconcertado a los físicos desde hace tiempo, preguntándose cómo la vida, el Universo, o cualquier cosa puede existir. Pero unos nuevos resultados de un experimento de acelerador de partículas sugieren que la materia parece ganar finalmente.

Teniendo en cuenta esto último, así como que ambas fueron creadas en la formación del universo, y que el universo actual alberga materia pero virtualmente nada de antimateria, debe haber alguna razón por la cual la materia se acabó imponiendo a la antimateria. La única explicación es que, las partículas de materia excedían en número a las de antimateria y, una ves destruidas todas las antagonistas, quedarían sólo las de materia que eran más y, esas son las que podemos ver ahora formando estrellas y planetas entre otras cosas.

Todo está hecho de esas pequeñas partículas que conocemos por Quarks y Leptones y, hace unos días, en Observatorio, pudimos contemplar esta maravillosa imagen en la que la estrella masiva IRS 4 comienza a desplegar sus alas. Nacida hace sólo unos 100.000 años, el material expulsado de esta estrella recién nacida ha formado la nebulosa llamada Sharpless 2-106 (S106) que se ve en la imagen. El gran disco de polvo y de gas que orbita la fuente infrarroja IRS 4, visible en rojo oscuro cerca del centro de la imagen, da a la nebulosa la forma de un reloj de arena o de una mariposa.

El gas de S106 cerca de 4 IRS actúa como una nebulosa de emisión ya que emite luz después de haber sido ionizado, mientras que el polvo lejano procedente de IRS4 refleja la luz de la estrella central y, por tanto, actúa como una nenulosa de reflexión. El examen detallado de imágenes como esta, ha revelado la existencia de cientos de estrellas marrones de masa baja que rondan por el gas de la nebulosa. S106 se extiende unos 2 años luz y se encuentra a unos 2.000 años-luz de distancia en la constelación del Cisne ( Cygnus ) -La traducción es de Observatorio-. Pero sigamos con lo que estamos tratando.

Demócrito

La idea atomística de Demócrito, de que la materia se puede dividir en porciones cada vez más pequeñas hasta que este proceso tenga un final, puede ser o no cierta. No sabemos si lo que hoy consideramos como una partícula elemental, por ejemplo el electrón, se descubre en un futuro que está a su vez compuesto de otros objetos todavía por descubrir (aunque para mí, no parece que tal cosa sea posible en el electrón que, por sus características, no parece prestarse a ello). Pero, si finalmente existen esos objetos últimos, indivisibles, que hoy en vez de átomos les denominaríamos partículas elementales, es legítimo tratar de clarificar desde un punto de vista teórico qué es lo que distingue a un objeto elemental de otro que no lo es, es decir, encontrar una definición plausible de partícula elemental.

Modelo Estándar de Partículas Elementales.

Una definición por exclusión podría ser que una partícula elemental es un sistema mecánico que no posee estados escitados, es decir, que no es posible modificar su estructura. Podremos aniquilarla, destruirla, pero nunca modificarla. En sentido positivo diríamos que se trata de un sistema mecánico cuyos únicos estados permitidos son solamente modificaciones cinemáticas de uno cualquiera de ellos. Conocido un estado cualquiera de la partícula, el resto de los estados posibles en los que la podamos encontrar son solamente las diferentes descripciones que de ese estado hacen el resto de los observadores inerciales, Esto también quiere decir que, un cierto observador inercial hace una descripción del estado en que se e4ncuentra una partícula elemental y debido a alguna influencia externa este estado cambia, siempre es posible encontrar otro observador inercial que, en el nuevo instante, describa la partícula exactamente en el mismo estado que en el instante anterior lo describía el otro observador.

Cualquier cambio en el valor de alguna de las variables que caracterizan el estado de una partícula elemental puede ser siempre compensado, mediante un cambio de sistema de referencia inercial, para lograr describir el sistema en el mismo estado, ews decir, con exactamente los mismos valores de todas las variables que definen de forma única el estado del sistema.

Existen sofisticadas máquinas que nos permiten observar partículas y hacer exámenes granulométricos de las mismas, Cada día podemos acercarnos más y más a ese infinitesimal “universo de lo muy pequeño”, claro que, el mismo aparato que utilizamos que es un sistema electrónico, al emitir la luz que trata enfocar esas partículas, lanza miríadas de fotones sobre ellas y, en ese momento, se producen sucesos que impiden saber, de manera exacta donde está la partícula o, hacia donde se dirige. Es el Principicio de Incertidumbre de Heisenberg.

Esta forma de definir un objeto elemental puede parecer una trivialidad, pero supone sin embargo una enorme restricción con respecto al tipo de variables clásicas que podemos utilizar para describir sus estados. Para empezar, tenemos que conocer cómo estas variables cambian cuando cambiamos de sistema de referencia. Más aún, dados dos valores posibles de una cualquiera de estas variables, debe existir un cambio de sistema de referencia que nos relacione un valor con el otro, y así para todas las variables básicas que configuren el estado del sistema. Vemos por lo tanto la importancia que juega el Principio de Realtividad no solo a la hora de definir el conjunto de observadores inerciales equivalentes, sino también en la propia definición de partícula elemental, ya que condiciona el tipo de variables clásicas que podemos utilizar. Es ésta la definiciónn de partícula elmental que vamos a adoptar y vamos a intentar hacer una descripción Lagrangiana de aquellos sistemas mecánicos sujetos a esta definición.

De todas las maneras, en esto de las partículas nos tenemos que andar con pies de plomo, nada se puede dar por hecho, y, es bien sabido que, lo que nos dice la mecánica cuántica no siempre coincide con lo que nos dicta el sentido común. Y, sí, en la relatividad están inmersas transformaciones que no debemos dejar de lado cuando tratamos con partículas elementales, veamos por ejempo:

Que el grupo de Lorentz realiza una foliación del espacio en hipérbolas diferenciadas. Ahora bien… ¿qué ocurre si tenemos una partícula en la región para v>c? A ser la hipérbola vertical, ¡¡una transformación desplaza punto en el tiempo!!. Por tanto, podría ocurrir que lo que para alguien es pasado, para otro sea futuro… Para entenderlo mejor supongamos la situación siguiente en la que una partícula, vista por un observador, va del punto A al punto B a una velocidad mayor que la de la luz.

Consideremos el movimiento de una partícula superlumínica del punto A al punto B. Si aplicamos una transformación de Lorentz, al desplazar el punto B sobre la hipérbola, podría darse el caso de que este quedase por debajo de A, como en la figura siguiente:

Al aplicar la transformación, el punto B pasa del futuro al pasado. Por lo que, para este observador, ¡la partícula ha viajado en el tiempo! Claro que, nos topoamos de nuevo con el límite de la velocidad de la luz. Ni aquellos neutrinos de hace unos días, han podido quitarle el Record de velocidad a los fotones.

Una característica importante del principio de raltividad es que lleva asociado un grupo de transformaciones espaciotemporales. Este grupo es el que nos indica la forma en que los diferentes observadores inerciales relacionan sus medidas respectivas de las tres coordenadas espaciales y una temporal de un mismo acontecimiento espacio-temporal. En la física Newtoniana o no relativista, este grupo es el grupo de Galileo, mientras que la física relativista toma como grupo cinemático de base el Grupo de Poincaré, que además de rotaciones y traslaciones, como en el caso del grupo de Galileo, contiene transformaciones de Lorentz puras ente observadores, con velocidad relativa constante. El arranque del formalismo comienza con aceptar uno de estos grupos G como el grupo que deja invariante las ecuaciones dinámicas.

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ECUACIONES DINÁMICAS

Desde el punto de vista académico, el estudio general de la geometría de la cuarta dimensión en gran parte resultado de los trabajos de Bernhard Riemann.

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Los trabajos matemáticos sobre geometrías multidimensionales y geometrías no euclídeas habían sido considerado por los físicos como simples abstracciones matemáticas hasta que Henri Poincaré probó que el grupo de transformaciones de Lorentz que dejaban invariantes las ecuaciones del electromagnetismo podían ser interpretadas como “rotaciones” en un espacio de cuatro dimensiones. Más tarde, los trabajos de Einstein y la interpretación geométrica de estos por parte de Hermann Minkowski llevaron a la aceptación de la cuarta dimensión como una descripción necesaria para explicar los hechos observados relacionados con el electromagnetismo. Sin embargo, aquí la “cuarta dimensión” no era un lugar separado del espacio tridimensional (como en varias de las obras de ficción de la época) ni tampoco una dimensión espacial análoga a las otras tres dimensiones espaciales, sino una dimensión temporal que sólo puede recorrerse hacia el futuro. En la teoría general de la relatividad el campo gravitatorio es explicado como un efecto geométrico de la curvatura de un espacio-tiempo de cuatro dimensiones.

Más tarde, la teoría de Kaluza-Klein propuso que no sólo el campo gravitatorio podía ser interpretado de forma más sencilla como curvatura de un “espacio” de más de tres dimensiones, sino que si se introducía una nueva dimensión espacial enrollada o «compactificada», también el campo electromagnético podía ser interpretado como un efecto geométrico de la curvatura de dimensiones superiores. Así, la Kaluza proponía una teoría de campo unificado del electromagnetismo y la gravedad en un espacio-tiempo de cinco dimensiones, con una dimensión temporal, tres dimensiones espaciales extendidas y una dimensión espacial «compactificada» adicional, que, debido a su condición de compactificada, no era directamente visible pero su efecto era perceptible en forma de campo electromagnético.

Bueno, como de costumbre (eo pasar una mosca y me distrae), me paso de las partículas a los grupos de Poincaré y Lorentz o, a la cuarta dimensión de Minkowski, son cosas de la mente que, no siempre actúa como nos propusimos al comenzar un trabajo que, la mayoría de las veces finaliza, de manera misteriosa, de manera direfente a la que nos propusimos al comenzar.

El Físico Martin del Riva del Departamento de Física Teórica del pais Vasco, tiene mucho que ver con todo lo que aquí contamos. Desde aquí le agradecemos sus conocimientos.

emilio silvera

El tiempo pasa y en el LHC no aparece el Bosón de Higgs

¿Qué hace, estará buscando el Bosón de Higgs?

Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.  La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones, nos recuerda el descubrimiento por P. Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo.  El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta ahora no tenemos ni idea de que reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC). Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas –Las masas de los W⁺, W^-, y Z^º, y el up, el down, el encanto, el extraño, el top y el bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van de la del electrón 0’0005 GeV, a la del top, mayor que 91 GeV.  Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electro débil (Weinberg-Salam).  Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnéticas y débiles.  En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa  los W⁺, W^-, Z^º y fotón que llevan la fuerza electro-débil.  Además está el campo de Higgs, y, rápidamente, los W y Z chupan la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa.  La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos.  Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electro débil. Y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que Gerard  ´t Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera esta libre de infinitos.

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron.  Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”.  Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa.  Una vez potente y segura nos dice: “! Higgs ¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmariana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la materia?

Siempre nos hemos preguntado de dónde vino la materia. Hemos llegado a comprender que toda la materia está hecha y es energía concentrada. Con el paso del tiempo pudimos desmenuzar sus componentes y llegamos a ser conscientes de que toda la masa del Universo está conformada a partir de minúsculos objetos que llamamos partículas. Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia.  Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas.  Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno, y, según mi amigo Ramón Márquez, las partículas toman su masa debido al efecto frenado.

La idea de que la masa no es intrínseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en la que los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

De todas las maneras, va siendo hora ya de que, de una vez por todas, podamos despejar la incognita que desde años atrás ha venido suponiendo el origen de la masa de las partículas y, si como se cree, la fuente está en ese campo de Higgs que ahora trata de sondear el LHC, esperemos que a no tardar mucho, tengamos la respuesta a esa pregunta.

Si al fin aparece el dichoso Bosón de Higgs (y espero que algunas cosas más), sabremos un poco más de los misterios de la Naturaleza y, podremos seguir adelante con la construcción de un Modelo Estándar que, para mi gusto, tiene demasiado parámetros aleatorios para que todo encaje.

¡Veremos qué pasa!

Instituto Tecnológico de California

En 1984, John Schwarz del Instituto Tecnológico de California y su colaborador Michael Green del Queen Mary’s Collage de Londres, demostraron que la teoría de cuerdas podía ser autoconsistente, lo que desencadenó una carrera de los físicos más jóvenes para resolver esta teoría.

El concepto de órbitas, por ejemplo, se da repetidamente en la naturaleza en diferentes variaciones; desde la obra de Copérnico, las órbitas han proporcionado un tema esencial que se repite constantemente a lo largo de la naturaleza en diferentes variaciones, desde las galaxias más grandes hasta los átomos y los más diminutas partículas subatómicas, tanto las unas como las otras describen órbitas en su deambular por el espacio. De manera análoga, los campos de Faraday se han mostrado como uno de los temas favoritos de la naturaleza. Los campos pueden describir el magnetismo de la naturaleza de las galaxias y la gravitación, o pueden describir la teoría electromagnética de Maxwell, la teoría métrica de Riemann-Einstein, los campos de Yang-Mills encontrados en el Modelo Estándar, y así todas las formas conocidas de materia y energía han sido expresadas en términos de teoría de campos. Las estructuras, entonces, como los temas y variaciones en una sinfonía, son repetidas constantemente.

¿Pero las cuerdas? Las cuerdas no parecen ser una estructura preferida por la naturaleza en el diseño de los cielos. No vemos cuerdas en el espacio exterior. De hecho no las vemos por ninguna parte. ¡A que va a resultar que, la verdadera semilla de la materia y el componente esencial del Universo, va a resultar ser, finalmente, algo tan pequeño que reside fuera de nuestro alcance?

Un momento de reflexión, sin embargo, revelará que la naturaleza ha reservado un papel especial a las cuerdas, como un ladrillo básico para otras formas. Por ejemplo, la característica esencial de la vida en el planeta Tierra es la molécula de ADN similar a una cuerda, que contiene la información compleja y el código de la propia vida. Para construir la materia de la vida, tanto como la materia subatómica, las cuerdas parecen ser la respuesta perfecta. En ambos casos, queremos encerrar una gran cantidad de información en una estructura reproducible y relativamente simple. La característica distintiva de una cuerda es que es una de la forma más compacta de almacenar grandes cantidades de datos de un modo en que la información pueda ser replicada.

Para los seres vivos la naturaleza utiliza la doble cadena de la molécula de ADN, que se separa y forma copias duplicadas de cada una de ellas. Nuestros cuerpos también contienen millones de millones de cadenas de proteínas, formadas de ladrillos de aminoácidos. Nuestro cuerpo, en cierto sentido, puede ser considerado como una enorme colección de cuerdas: moléculas de proteínas que revisten nuestros huesos. Sin embargo, nadie puede dar una explicación de nuestro entendimiento, de la inteligencia que se crea y que llevamos con nosotros desde el mismo momento del nacimiento, está ahí presente, a la espera de que se la despierte, es la inteligencia dormida y evolucionada por el conocimiento de las cosas. La conciencia de SER a la que llamamos alma, y que de alguna manera es inmortal, ya que lo que sabemos lo cedemos y lo dejamos aquí para los que nos siguen en la tarea emprendida por la humanidad desde que, en el preciso momento en que surgió aquella primera célula original que fue capaz de dividirse para replicarse a sí misma, se dio el primer paso para el nacimiento de la vida en nuestro planeta. Pero esa es otra cuestión que será tratada en otro próximo trabajo, ahora volvamos al tema de la teoría de cuerdas de la física.

Se habla de cuerdas abiertas, cerradas o de lazos, de p branas donde p denota su dimensionalidad (así, 1 brana podría ser una cuerda y 2.Brana una membrana) o D-Branas (si son cuerdas abiertas) Y, se habla de objetos mayores y diversos que van incorporados en esa teoría de cuerdas de diversas familias o modelos que quieren sondear en las profundidades del Universo físico para saber, como es.

En la década de los noventa se creó una versión de mucho éxito de la teoría de cuerdas. Sus autores, los físicos de Princeton David Gross, Emil Martinec, Jeffrey Harvey y Ryan Rohn, a quienes se dio en llamar el cuarteto de cuerdas de Princeton.

David Jonathan Gross

El de más edad de los cuatro, David Gross, hombre de temperamento imperativo, es temible en los seminarios cuando al final de la charla, en el tiempo de preguntas, con su inconfundible vozarrón dispara certeros e inquisidoras preguntas al ponente. Lo que resulta sorprendente es el hecho de que sus preguntas dan normalmente en el clavo.

Gross y sus colegas propusieron lo que se denomina la cuerda heterótica. Hoy día, de todas las variedades de teorías tipo Kaluza-Klein que se propusieron en el pasado, es precisamente la cuerda heterótica la que tiene mayor potencial para unificar todas las leyes de la naturaleza en una teoría. Gross cree que la teoría de cuerdas resuelve el problema de construir la propia materia a partir de la geometría de la que emergen las partículas de materia y también la gravedad en presencia de las otras fuerzas de la naturaleza.

El caso curioso es que, la Relatividad de Einstein, subyace en la Teoría de cuerdas, y, si eliminamos de esta a aquella y su geometría de la Gravedad…todo resulta inútil. El gran Einstein está presente en muchos lugares y quizás, más de los que nos podamos imaginar.

Es curioso constatar que si abandonamos la teoría de la gravedad de Einstein como una vibración de la cuerda, entonces la teoría se vuelve inconsistente e inútil. Esta, de hecho, es la razón por la que Witten se sintió atraído inicialmente hacia la teoría de cuerdas. En 1.982 leyó un artículo de revisión de John Schwarz y quedó sorprendido al darse cuenta de que la gravedad emerge de la teoría de supercuerdas a partir solamente de los requisitos de auto consistencia. Recuerda que fue “la mayor excitación intelectual de mi vida”.

Gross se siente satisfecho pensando que Einstein, si viviera, disfrutaría con la teoría de supercuerdas que sólo es válida si incluye su propia teoría de la relatividad general, y amaría el hecho de que la belleza y la simplicidad de esa teoría proceden en última instancia de un principio geométrico, cuya naturaleza exacta es aún desconocida.atividad general de Einstein. Nos ayuda a estudiar las partes más grandes del Universo, como las estrellas y las galaxias. Pero los elementodiminutoso los átomos y las partículas subatómicas se rigen por unas leyes diferentes denominadas mecánica cuántic

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La Relatividad General y las Supercuerdas están juntas

Witten llega incluso a decir que “todas las ideas realmente grandes en la física, son retornos de la teoría de supercuerdas”. Con esto, él quiere decir que todos los grandes avances en física teórica están incluidos en la teoría de supercuerdas. Incluso afirma el hecho de que la teoría de supercuerdas fue “un accidente del desarrollo intelectual en el planeta Tierra, ocurrido antes de su tiempo”. Y continúa diciendo: “En alguna parte en el espacio exterior, otras civilizaciones en el universo pudieron haber descubierto primero la teoría de supercuerdas y derivado de ella la teoría de la relatividad general que lleva dentro”.

La cuerda heterótica de Gross y sus colegas, consiste en una cuerda cerrada que tiene dos tipos de vibraciones, en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario, que son tratadas de forma diferente. Las vibraciones en el sentido de las agujas del reloj viven en un espacio de diez dimensiones. Las vibraciones de sentido contrario viven en un espacio de veintiséis dimensiones, de las que dieciséis han sido compactificadas. Lo mismo ocurría en la teoría de la quinta dimensión de Kaluza-Klein, donde la quinta dimensión estaba compactificada curvándose en un círculo en el límite de Planck.

¿Será el LHC el que nos traiga esas partículas exóticas, el que nos deje vislumbrar la sombra de las cuerdas, el que nos lleve hasta la puerta de esas dimensiones compactadas en el “universo” infinitesimal, el que pueda tener la llave para abrir puertas hasta ahora cerradas que no nos dejan pasar hacia el futuro de la Física?

La cuerda heterótica debe su nombre al hecho de que las vibraciones en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario viven en dos dimensiones diferentes pero se combinan para producir una sola teoría de supercuerdas. Esta es la razón de que se denomine según la palabra griega heterosis, que significa “vigor hibrido”.

El espacio compactificado de dieciséis dimensiones es el más interesante. Cuando fue analizado por el “cuarteto de cuerda” de Princeton (Gross y su equipo), descubrieron que contiene una simetría de enormes dimensiones, denominada E (8) × E (8), que es mucho mayor que cualquier simetría GUT que se hubiese intentado jamás. Esta simetría es mucho mayor que el grupo de simetría que aparece en el Modelo Estándar, dado por SU(3) × SU(2) × U(1) que es un subconjunto de la anterior donde está acomodado también (dada su amplitud) el Modelo Estándar.

No pocas veces pienso que, con estas atrevidas teorías, queremos llegar mucho más allá de lo que nos está permitido. Sin embargo, cuando reconsidero el pensamiento, siempre llego a la conclusión de que, permitido, está todo siempre que respetemos ciertas leyes y normas que, como deontología del científico, nunca debe dejar traspasar las lineas aquellas que nos podrían convertir en 2dioeses”. Bueno, nos podría llevar a creer que lo somos.

Las leyes de la física se simplifican en dimensiones más altas.

En este caso, en el espacio 26–dimensional de las vibraciones de sentido contrario a las agujas del reloj de la cuerda heterótica que tiene espacio suficiente para explicar todas las simetrías encontradas en la teoría de Einstein y en la teoría cuántica. Así, por primera vez, la geometría pura ha dado una simple explicación de por qué el mundo subatómico debería exhibir necesariamente ciertas simetrías que emergen del enrollamiento del espacio de más dimensiones: Las simetrías del dominio subatómico no son sino remanentes de la simetría del espacio de más dimensiones.

No será la primera vez que hemos emprendido caminos que no sabemos hacia donde nos llevará ni las consecuencias de su recorrido.

Esto significa que la belleza y simetrías encontradas en la naturaleza pueden ser rastreadas en última instancia hasta el espacio multidimensional. Por ejemplo, los copos de nieve crean bellas figuras hexagonales, ninguna de las cuales es exactamente igual a otra, han heredado sus estructuras de las formas en que sus moléculas han sido dispuestas geométricamente, determinada básicamente por las cortezas electrónicas de estas moléculas, que a su vez nos llevan de nuevo a las simetrías rotacionales de la teoría cuántica, dadas por O (3).

Hermosas simetrías que nos sorprenden y deleitan siempre en la Naturaleza

Podemos concluir diciendo que las simetrías que vemos a nuestro alrededor, desde un arco iris a las flores y a los cristales, pueden considerarse en última instancia como manifestaciones de fragmentos de la teoría decadimensional original. Riemann y Einstein habían confiado en llegar a una comprensión geométrica de por qué las fuerzas pueden determinar el movimiento y la naturaleza de la materia. Hermosas simetrías que nos sorprenden y deleitan siempre en la Naturaleza

Dado el enorme poder de sus simetrías, no es sorprendente que la teoría de supercuerdas sea radicalmente diferente de cualquier otro tipo de física. De hecho, fue descubierta casi por casualidad. Muchos físicos han comentado que si este accidente fortuito no hubiese ocurrido, entonces la teoría no se hubiese descubierto hasta bien entrado el siglo XXI. Esto es así porque supone una neta desviación de todas las ideas ensayadas en este siglo. No es una extensión natural de tendencias y teorías populares en este siglo que ha pasado; permanece aparte.

El cielo de Einstein, su teoría de la R. general, dibuja la geometría del Universo.

Por el contrario, la teoría de la relatividad general de Einstein tuvo una evolución normal y lógica. En primer lugar, su autor, postula el principio de equivalencia. Luego reformuló este principio físico en las matemáticas de una teoría de campos de la gravitación basada en los campos de Faraday y en el tensor métrico de Riemann. Más tarde llegaron las “soluciones clásicas”, tales como el agujero negro y el Big Bang. Finalmente, la última etapa es el intento actual de formular una teoría cuántica de la gravedad. Por lo tanto, la relatividad general siguió una progresión lógica, desde un principio físico a una teoría cuántica.

Geometría → teoría de campos → teoría clásica → teoría cuántica.

Contrariamente, la teoría de supercuerdas ha estado evolucionando hacia atrás desde su descubrimiento accidental en 1.968. Esta es la razón de que nos parezca extraña y poco familiar, estamos aún buscando un principio físico subyacente, la contrapartida del principio de equivalencia de Einstein.

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Gabriele Veneziano es un físico italiano

La teoría nació casi por casualidad en 1.968 cuando dos jóvenes físicos teóricos, Gabriel Veneziano y Mahiko Suzuki, estaban hojeando independientemente libros de matemáticas. Figúrense ustedes que estaban buscando funciones matemáticas que describieran las interacciones de partículas fuertemente interactivas. Mientras estudiaban en el CERN, el Centro Europeo de Física Teórica en Ginebra, Suiza, tropezaron independientemente con la función beta de Euler, una función matemática desarrollada en el S. XIX por el matemático Leonhard Euler. Se quedaron sorprendidos al descubrir que la función beta de Euler ajustaba casi todas las propiedades requeridas para describir interacciones fuertes de partículas elementales.

saludos amigos.

Muchos son los secretos del Universo que deseamos desvelar

Necesitaremos paciencia, mucha curiosidad que satisfacer y estar dispuesto a realizar el trabajo necesario. Cuando en 1.900, Max Planck, el físico alemán escribió un artículo sobre la radiación de cuerpo negro que él decía emitirse en paquetes discretos, no continuos, a los que llamó “cuantos”, nadie fue capaz de suponer que allí estaba la semilla de lo que más tarde se conocería como la Teoría de la Mecánica Cuántica que describía a la perfección el sistema matemático que nos descubrió el universo del átomo, de lo muy pequeño, infinitesimal. Por los años de 1.925 y 1.926, Edwin Schrödinger, Werner Heisemberg y otros muchos desarrollaron esta teoría que derribó las barreras de creencias firmes durante siglos.

Hasta tal punto fue una revolución que, a partir de aquellos descubrimientos, la Humanidad fue consciente de que realmente formaba parte de un todo llamado Universo. El Inmenso Universo comienza a conformarse en un todo mediante esos paquetes discretos que llamamos cuantos, y, nosotros, también somos átomos y moléculas como las grandes galaxias.

Aquello fue una auténtica revolución:

1. Las fuerzas son creadas por el intercambio de paquetes discretos de energía denominados cuantos.

En contraste con la imagen geométrica de Einstein para una “fuerza”, en la teoría cuántica la luz iba a ser dividida en fragmentos minúsculos. Estos paquetes de luz fueron llamados fotones, y se comportaban de forma muy parecida a partículas puntuales. Cuando dos electrones chocan, se repelen mutuamente, no a causa de la curvatura del espacio, sino debido a que intercambian un paquete de energía, el fotón.

La energía de estos fotones se mide en unidades del algo denominado constante de Planck (h ~ 10^-27 ergios por segundo). El tamaño infinitesimal de la constante de Planck significa que la teoría cuántica da correcciones minúsculas a las leyes de Newton. Éstas se denominan correcciones cuánticas, y pueden ser despreciadas cuando describimos nuestro mundo macroscópico familiar y sus fenómenos familiares cotidiano. Sin embargo, cuando tratamos con el mundo subatómico microscópico, las correcciones cuánticas empiezan a dominar cualquier proceso físico, y nos da cuenta de las propiedades extrañas y “contraintuitivas” de las partículas subatómicas.

2. Las diferentes fuerzas son causadas por el intercambio de diferentes cuantos como arriba podeis ver. Ahí teneis la intensidad, el alcance y la partícula mediadora de cada una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

La fuerza débil, por ejemplo, es causada por el intercambio de un tipo diferente de cuanto, llamado partícula W (W es la inicial de “weak” [débil]). Análogamente, la fuerza fuerte que mantiene unidos los protones y neutrones dentro del núcleo del átomo es causada por el intercambio de partículas subatómicas llamados mesones p. Tanto los bosones W como los mesones p se han visto experimentalmente en los residuos de los colisionadores de átomos, verificando de este modo la conexión fundamental de este enfoque. Y finalmente, la fuerza subnuclear que mantiene los protones y neutrones e incluso los mesones p juntos se debe al intercambio de partículas llamadas gluones (glue en inglés es pegamento).

De este modo, tenemos un nuevo “principio unificador” para las leyes de la física. Podemos unir las leyes del electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte postulando una variedad de cuantos diferentes que sirven de vehículo para las mismas. Tres de las cuatro fuerzas (excluyendo la gravedad) están así unidas por la teoría cuántica, dándonos unificación sin geometría.

Microscopio de rayos gamma de Heisenberg. Crédito: Wikipedia/GPL.

De modo que, en el microscopio de Heisenberg, un fotón incide sobre el electrón y luego llega al microscopio. Pero para detectar la posición del electrón con mucha precisión hace falta un fotón de onda muy corta, es decir, con mucha energía. Un fotón de radiación gamma: y cuando ese fotón muy energético choca con el electrón, lo manda disparado en una dirección determinada, independientemente de la velocidad que tuviera antes. Al saber muy bien dónde estaba el electrón no tenemos ni idea de cómo de rápido va.

3. Nunca podremos conocer simultáneamente la velocidad y la posición de una partícula subatómica.

Ese es el principio de incertidumbre de Heisemberg, que es con mucho el aspecto más controvertido de la teoría, aunque ha resistido todos los desafíos en el laboratorio durante más de medio siglo. No hay desviación experimental conocida de esta regla. El principio de incertidumbre significa que nunca podemos estar seguros de dónde se encuentra un electrón o cuál es su velocidad. Lo más que podemos hacer es calcular la probabilidad de que el electrón aparezca en un cierto lugar con una cierta velocidad. La situación no es tan desesperada como uno pudiera sospechar, porque podemos calcular con rigor matemático la probabilidad de encontrar dicho electrón. Aunque el electrón es una partícula puntual, está acompañado de una onda que obedece a una ecuación bien definida, la ecuación de ondas de Schrödinger con su función de onda (y), que nos dirá con mucha probabilidad el lugar en el que aparecerá el electrón.

Un sistema cuántico puede mostrar el efecto túnel incluso sin una barrera que atravesar, es el efecto túnel dinámico. En la figura c se muestran los estados caóticos (verde) y no caóticos (marrón y violeta) de un sistema clásico. El modelo cuántico de dicho sistema caótico salta por efecto túnel dinámico entre los estados clásicos estables, evitando los estados caóticos. Una ilustración experimental de este fenómeno de “caos cuántico” ha sido obtenida por Jessen y sus colegas, quienes han logrado visualizar este efecto túnel con gran detalle, permitiendo la reconstrucción completa del estado cuántico del sistema conforme ocurre dicho proceso. Una exquisita visualización (incluye animaciones) de como el sistema cuántico “evita” atravesar las regiones caóticas que sólo existen (o están permitidas) en el sistema clásico. El experimento ilustra a las mil maravillas las grandes dificultades que ofrece la transición de lo clásico a lo cuántico y viceversa, que muchos libros de texto (y físicos) asumen casi como trivial. Nos lo cuenta Daniel A. Steck, “Quantum mechanics: Passage through chaos,” News and Views, Nature 461: 736-737, 8 October 2009, haciéndose eco del magnífico artículo técnico de S. Chaudhury, A. Smith, B. E. Anderson, S. Ghose, P. S. Jessen, “Quantum signatures of chaos in a kicked top,” Nature 461: 768-771, 8 october 2009.

4. Existe una posibilidad finita de que las partículas puedan “tunelear” o hacer un salto cuántico a través de barreras impenetrables.

Esta es una de las predicciones más desconcertantes de la teoría cuántica. En el nivel atómico, esta predicción no ha tenido otra cosa que éxitos espectaculares. El “efecto túnel” o salto cuántico a través de barreras ha sobrevivido a cualquier desafio experimental. De hecho, un mundo sin efecto túnel es ahora inimaginable.

La mecánica cuántica, es el resultado de una idea iniciada por Max Planck con su cuanto de acción h, que fue posteriormente desarrollada por otros como Werner Heisemberg, Edwin Schrödinger, Paul Dirac, Richard Feynman, y muchos más, incluso el mismo Einstein, en 1.905 (el mismo año que dio a conocer su relatividad especial), inspirado en el artículo de Max Planck sobre la radiación de cuerpo negro, publicó un trabajo conocido como el “efecto fotoeléctrico” que le valió el Nobel de Física.

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas. Son llas extrañezas de la mecánica cuántica de la que nos quedan muchas cosas por comprender.

La mecánica cuántica es la suma de mucho ingenio, conocimiento, matemáticas y trabajo, que ha permitido tener una poderosa herramienta que nos explica el mecanismo de las partículas elementales en el universo microscópico del átomo.

Mientras que Einstein conjeturó el marco entero de la relatividad general con sólo intuición física, los físicos de partículas se estaban ahogando en una masa de datos experimentales y como comentaba el gran físico Enrico Fermi “si yo pudiera recordar los nombres de todas estas partículas, habría sido botánico”. Tal era el número de partículas que surgían de entre los restos de los átomos tras las colisiones en los aceleradores que las hacían chocar a velocidades cercanas a c.

Toda la materia consiste en quarks y leptones, que interaccionan intercambiando diferentes tipos de cuantos, descritos por los campos de Maxwell y de Yang-Mills.

Aquí están represntadas las familias de los Quarks que son los que forman los nucleones (protones y neutrones) y también los mesones. La otra familia es la de los leptones (electrón, muón y partícula tau con sus neutrinos asociados que, junto con los nucleaones construyen los átomos. Por último, aparecen los Bosones intermediarios de las distintas fuerzas: El Fotón para el electromagnetismo, los W y Z para la fuerza débil, el Gluón para la fuerza nuclear fuerte y, se deja fuera el transmisor de la Gravedad, el gravitón aún no observado.

El Modelo Estándar nos describe todas las familias de partículas subatómicas que componen la materia y cómo actúan las fuerzas al interaccionar con ellas, incluyendo la teoría de Maxwell del electromagnetismo que gobierna la interacción de los electrones y de la luz, y que se conoce por electrodinámica cuántica, cuya corrección ha sido verificada experimentalmente dentro de un margen de error de una parte en 10 millones, lo que la hace ser la teoría más precisa en la historia de la física.

Llegar al Modelo Estándar de la Física costó el esfuerzo de más de un siglo de investigación y trabajo teórico de muchos en el descubrimiento del dominio subatómico.

La fuerza débil gobierna las propiedades de los “leptones”, tales como el electrón, el muón y el mesón tau y sus neutrinos asociados. Al igual que las otras fuerzas, los leptones interaccionan intercambiando cuantos, llamados bosones W y Z. Estos cuantos también se describen matemáticamente por el campo de Yang-Mills. A diferencia de la fuerza gluónica, la fuerza generada por el intercambio de bosones W y Z es demasiado débil para mantener los leptones en una resonancia, de modo que no vemos un número infinito de leptones emergiendo de nuestros colisionadores de átomos.

De la fuerza fuerte, el Nobel Steven Weinberg, uno de los creadores del Modelo Estándar, escribió: “Existe una larga tradición de la física teórica que no afectó a todos, ni mucho menos, pero ciertamente me afectó a mí: la que decía que las interacciones fuertes [eran] demasiado complicadas para la mente humana”.

Este es el acelerador de partículas Fermilab y el otro (más potente) es el LHC. Ambos trabajan para mejorar el Modelo Estándar y completar, o, sustituir parámetros aleatorios por aquellos nuevos que puedan ser descubiertos en estos ingenios del hombre. Por el hombre el Bosón de Higgs.

Las características más interesantes del Modelo Estándar es que está basado en la simetría; podemos ver su señal inequívoca dentro de cada una de estas interacciones. Los quarks y los leptones no son aleatorios, sino que se presentan en pautas definidas en el Modelo. Este modelo de la física que explica las fuerzas que interaccionan con las partículas creadoras de materia, no incluye la fuerza de la gravedad. El Modelo Estándar es práctico y ha sido y es una poderosa herramienta para todos los físicos, sin embargo, al no incluir la gravedad, es incompleta. Cuando se intenta unir el Modelo Estándar con la teoría de Einstein, la teoría resultante da respuestas absurdas.

Este modelo es feo y complicado:

• 36 quarks, que se presentan en 6 “sabores” y 3 “colores” y sus réplicas en antimateria para describir las interacciones fuertes.
• 8 campos de Yang-Mills para describir los gluones, que ligan los quarks.
• 4 campos de Yang-Mills para describir las fuerzas débiles y electromagnéticas.
• 6 tipos de leptones para describir las interacciones débiles.
• Un gran número de misteriosas partículas de “Higgs” necesarias para ajustar las masas y las constantes que describen a las partículas.
• Al menos 19 constantes arbitrarias que describen las masas de las partículas y las intensidades de las diversas interacciones. Estas diecinueve constantes deben ser introducidas a la fuerza; no están determinadas en modo alguno por la teoría.

Así las cosas, está claro que hay que buscar otro modelo.

La ecuación de Einstein de la relatividad general

La fealdad del Modelo Estándar puede contrastarse con la simplicidad de las ecuaciones de Einstein, en las que todo se deducía de primeros principios. Para comprender el contraste estético entre el Modelo Estándar y la teoría de la relatividad general de Einstein debemos comprender que, cuando los físicos hablan de “belleza” en sus teorías, realmente quieren decir que estas “bellas” teorías deben poseer al menos dos características esenciales:

1. Una simetría unificadora.

2. La capacidad de explicar grandes cantidades de datos experimentales con las expresiones matemáticas más económicas.

El Modelo Estándar falla en ambos aspectos, mientras que la relatividad general los exhibe, ambos, de manera bien patente. Nunca una teoría dijo tanto con tan poco; su sencillez es asombrosa y su profundidad increíble. De hecho, desde que se publicó en 1.915, no ha dejado de dar frutas, y aún no se han obtenido de ella todos los mensajes que contiene.

Modelos más modernos se vislumbran muy cerca y, en cualquier momento, se podrá escuchar una gran explosión como aquella de 1905

Al contrario de la relatividad general, la simetría del Modelo Estándar, está realmente formada empalmando tres simetrías más pequeñas, una por cada una de las fuerzas; el modelo es espeso e incómodo en su forma. Ciertamente no es económica en modo alguno. Por ejemplo, las ecuaciones de Einstein, escritas en su totalidad, sólo ocupan unos centímetros y ni siquiera llenaría una línea de esta página. A partir de esta escasa línea de ecuaciones, podemos ir más allá de las leyes de Newton y derivar la distorsión del espacio, el Big Bang y otros fenómenos astronómicos importantes como los agujeros negros. Por el contrario, sólo escribir el Modelo Estándar en su totalidad requeriría, siendo escueto, un par de páginas de esta libreta y parecería un galimatías de símbolos complejos sólo entendibles por expertos.

Los científicos quieren creer que la naturaleza prefiere la economía en sus creaciones y que siempre parece evitar redundancias innecesarias al crear estructuras físicas, biológicas y químicas.

El matemático francés Henri Poincaré lo expresó de forma aún más franca cuando escribió: “El científico no estudia la Naturaleza porque es útil; la estudia porque disfruta con ello, y disfruta con ello porque es bella”.

Habrá que seguir desenredando la madeja

E. Rutherford, quien descubrió el núcleo del átomo (entre otras muchas cosas), dijo una vez: “Toda ciencia es o física o coleccionar sello”. Se refería a la enorme importancia que tiene la física para la ciencia, aunque se le olvidó mencionar que la física está sostenida por las matemáticas que la explica.

Pero, a pesar de todos sus inconvenientes, el Modelo Estándar, desde su implantación, ha cosechado un éxito tras otro, con sus inconvenientes y sus diecinueve parámetros aleatorios, lo cierto es que es lo mejor que tenemos por el momento para explicar las familias de partículas que conforman la materia y cómo actúan las fuerzas de la naturaleza, todas las fuerzas menos la gravedad; esa nos la explica a la perfección y sin fisuras las ecuaciones de Einstein de la relatividad general.

Hace tiempo que los físicos tratan de mejorar el Modelo Estándar con otras teorías más avanzadas y modernas que puedan explicar la materia y el espacio-tiempo con mayor amplitud y, sobre todo, incluyendo la gravedad. Así que retomando la teoría de Kaluza de la quinta dimensión, se propuso la teoría de supergravedad en 1.976 por los físicos Daniel Freedman, Sergio Ferrara y Peter van Nieuwenhuizen, de la Universidad del Estado de Nueva York en Stoney Brook que desarrollaron esta nueva teoría en un espacio de once dimensiones. Irrumpió Witten de Princeton y con su Teoría M, unificadora de todas las demás, ha dejado el listón muy alto y, desde entonces, poco o nada se ha avanzado en este marco. Parece que las matemáticas necesarias para desarrollar la teoría…No existen aún.

Edward Witten.

Lo que vino a decir Witten en su histórico discurso de 1.995, es que utilizando la supersimetría como método de aproximación y más concretamente una parte de ella denominada “estados BPS de la materia” (que para no liarnos más, solo diremos que son los estados de masa mínima posible para un valor prefijado de carga), se podrían romper las barreras que la teoría de las perturbaciones nos había puesto delante durante años y podríamos atacar, por fin, las constantes de acoplamiento fuerte de las cuerdas cuando el valor de estas sobrepasara el “1”, por muy grande que ese número fuera. Lo importante de los estados BPS es que sus propiedades se determinan de manera única, fácil y exacta, y aunque no deja de ser un método de aproximación que no nos permite ver todas las propiedades de una cuerda cuando su constante de acoplamiento es grande, si que, al menos, nos deja vislumbrar aquellas propiedades fundamentales que hasta entonces nos habían mantenido ocultas la teoría de las perturbaciones.

La explicación de la Teoría M es compleja y no parece que sea este el sitio de exponerla. Todos queremos explicaciones sencillas de entender y de fácil comprensión y, en la Física, eso no siempre es posible. Cuando el lenguaje para explicar la Física son las matemáticas, muchos no podemos comprender sus profundidades de complejas funciones modulares o los “jeroglíficos” topológicos.

¡Y pensar que todas las respuestas están en la verdadera naturaleza de laluz! Ese último estado de la materia que es pura energía. También las cuerdas, esas briznaz vibrantes de infinitesimal tamaño que se cree están más allá de los Quarks, también ellas, en esencia, son luz. Si una cuerda es billones de veces más pequeña que un átomo. Si agrandáramos un átomo al tamaño de nuestro sistema solar, una cuerda sería como un árbol. ¡Qué extraña idea!

Once dimensiones, universos paralelos, y un mundo hecho de cuerdas o filamentos vibrantes que vendrían a ser los objetos más pequeños del Universo. Claro que, no sabemos de qué estará formada la “materia oscura”.

Buen fin de semana amigos.

emilio silvera