¿Queremos imitar el salto cuántico viajar más rápido?

A finales del siglo XIX y principios del XX algunos podían creer que los secretos de la Naturaleza estaban todos descubiertos gracias a los hallazgos que en el pasado hicieran Newton y otros y más recientemente Maxwell, Planck, Einstein y otros muchos que, con sus trabajos nos desvelaron cómo funcionaba la gravedad, qué era en realidad la electricidad y el magnetismo y también, nos llevaron el fascinante mundo de lo muy pequeño con el cuanto de acción, h, de Planck que nos trajo poco más tarde, la mecánica cuántica.

La mecánica, la óptica, la electricidad… todo estaba descubierto y explicado. Los científicos de la época pansaban que sus futuros colegas sólo se dedicarían a realizar medidas para obtener las constantes con mayor precisión vez. Después de todo aquello, se siguió avanzando y continuamos haciéndonos preguntas creyendo que nos llevarían a las respuestas últimas.

Si, por ejemplo, las supercuerdas nos conducen a las respuestas últimas, entonces, ¿en qué dirección debemos nuestra investigación?, ¿es que nos hemos introducido tanto en el mundo de lo desconocido y lo ininteligible que estamos a punto de ahogarnos en un mar de lo absurdo?, ¿estamos enterrados bajo tántas preguntas de los imposibles que deberíamos considerarnos perdidos?, ¿tiene algún sentido especular acerca de la “Teoria de Todo” en un  mundo extraño de las unidades de Planck?

Bueno, si queremos ser sinceros…, podemos discrepar de algunas de las cuestiones que hoy se están debatiendo y ser críticos con otras. Sin embargo, no podremos negar los avances que realmente se están logrando en el mundo de las nuevas tecnologías que, gracias a la Física, ya están en el futuro y, en nuestras vidas cotidianas lo estamos viendo continuamente.

Por otra , nada despierta más nuestra curiosidad que lo ininteligible y, precisamente por eso, tiene tanto éxito y llama la atención teorías como la de las supercuerdas. Miremos, por ejemplo, lo que es tan curioso en el mundo de la longitud de Planck es que no podemos encontrar absolutamente ningún modelo que nos pueda dar una descripción razonablemente autoconsistente de partículas que interaccionan entre sí con fuerzas gravitatorias tan intensas y que, al mismo tiempo, obedezcan a las leyes de la mecánica cuántica. Por tanto, incluso si hubiéramos sido capaces de realizar experimentos con choques de partículas con energías planckianas, no hubiéramos sabido como comparar los resultados con una teoría. Aquí hay para los físicos: hacer una teoría. No nos importa demasiado como describa esa teoría la interacción gravitatoria, pero tenemos suficientes requisitos en la lista como para que encontrar  esa candidata a ser la teoría sea una labor extremadamente difícil. La Teoría de Supercuerdas parecía estar a punto de conseguirlo, pero falló en los últimos momentos. Dicen que necesitamos la energía de Planck para poder verificarla y, si es así, nos queda espera para rato.

Mientras buscamos esas teorías que están más allá de nuestras posibilidades reales de hoy, la Ciencia no se para y sigue avanzando en otros muchos campos que, como antes decía, nos están llevando a pasos agigantados un futuro que ya está con nosotros y, lo está haciendo con tal rapidez que ni nos hemos percatado de ello.

En cuanto a esa soñada Teoria de Todo, en primer lugar debe ser matemáticamente exacta y tiene que permitirnos calcular con extrema precisión el comportamiento de las partículas bajo todas las circunstancias imaginables. Por ahí circulan una y mil “teorías” que exponen las ideas más variopintas que imaginarnos podamos pero, desgraciadamente, son inútiles para los físicos porque sus descripciones no reúnen el rigor ni la prcisión que deben estar presentes en toda buena teoría. Por otra , los físicos prefieren que la teoría trate la fuerza gravitatoria de tal manera que esté de acuerdo con la obtenida en la formulación de la teoría de la relatividad general de Einstein. Sabemos que la fuerza gravitatoria cuerpos pesados como las estrellas y los planetas obedece a esta teoría con gran exactitud (como ha sido confirmado espectacularmente en las observaciones de los púlsares, estrellas compactas que rotan a gran velocidad. Nuestra teoría candidata debería explicar estas observaciones).

No digamos de los intrincados caminos que la Física ha sobrevolado cuando se ha querido meter en la posibilidad de viajes en el Tiempo y, los físicos se encontraron con una y mil paradojas extrañas. Además, como nos ocurre con la Teoría de cuerdas, al meternos en un sendero desconocido y de intrincados peligros…nunca hemos podido llegar al final después de largos y costosos recorridos. ¿Servirá para algo los muchos esfuerzos realizados?

Por otra somos conscientes y conocedores de que las leyes de la mecánica cuántica son inexorables y, por tanto, queremos que nuestra teoría sea formulada en términos de la mecánica cuántica. Tanto la mecánica cuántica como la teoría de la relatividad tienen la propiedad de que, tan pronto como uno admita la más pequeña desviación de esos principios, ambas darían lugar a una teoría totalmente diferente, que de ninguna manera se parecería al mundo que conocemos (o pensamos conocer). “Un poco relativista” o “un poco mecanicuántico” tan poco sentido como “un poco embarazado”. Podríamos imaginar, por otra parte, que la mecánica cuántica o la relatividad general, o ambas, serían marcos demasiado restrictivos nuestra avanzada teoría, de manera que habría que extender sus principios, llegar más lejos.

La cuerda es cuántica y gravitatoria, de sus entrañas surge, por arte de magia, la partícula mensajera de la fuerza de gravedad: el gravitón. Funde de natural las dos teorías físicas más poderosas de que disponemos, la mecánica cuántica y la relatividad general, y se convierte en supercuerda -con mayores grados de libertad- es capaz de describir bosones y fermiones, partículas de fuerza y de materia. La simple vibración de una cuerda infinitesimal podría unificar todas la fuerzas y partículas fundamentales.

Parece que todo está hecho de cuerdas, incluso el espacio y el tiempo podrían emerger de las relaciones, más o menas complejas, cuerdas vibrantes. La materia-materia, que tocamos y nos parece tan sólida y compacta, ya sabíamos que está casi vacía, pero no imaginábamos que era tan sutil como una cuerda de energía vibrando. Los átomos, las galaxias, los agujeros negros, todo son marañas de cuerdas y supercuerdas vibrando en diez u once dimensiones espaciotemporales.

Está claro que no trato de explicar aquí una teoría que no comprendo y, el tratar el tema se debe a la curiosidad de tratar de indicar el camino, o, los caminos, por los que se podría llegar más lejos, al , algo más allá. De una cosa si que estoy seguro: ¡Las cuatro fuerzas fundamentales del Universo, un día fueron una sola fuerza!

En el universo existen numerosas estrellas cuyas masas son considerablemente mayores que las del Sol, debido a lo cual, la fuerza gravitotoria en su superficie es considerablemente más intensa que sobre la Tierra o sobre el Sol. La enorme cantidad de materia de una de esas estrellas causa una presión inimaginablemente alta en su interior, pero como  las tenperaturasd en el interior de las estrellas es también altísima, se produce una presión contraria que evita que la estrella se colapse. La estrella, sin embargo, pierde calor continuamente. Al proncipio de su vida, en las estrellas se producen todo de reacciones nucleares que mantienen su temperatura alta y que incluso la pueden elevar, pero antes o después el combustible nuclear se acaba. Cuanto más pesada sea la estrella, mayor es la prsión y la temperatura, y más rápidamente se consume su combustible. La contrapresión disminuye progresivamente y la estrella se va colapsando bajo la presión,  según dismunye el tamaño de la estrella, la fuerza gravitatoria aumenta hasta que finalmente se produce una implosión -un colapso repentino y completo- que no puede ser evitado por más tiempo: ¡ha nacido un agujero negro!

Según todos los indicios, cuando la estrella es muy masiva, la Improsión finaliza convirtiendo toda la inmensa masa de la estrella en un A. N., pero antes, explota como supernova y llena el espacio de los materiales coplejos que han sido fabricados en sus nucleares, siembra el espacio con una Nebulosa de la que, años más tarde, nacerán nuevas estrellas y nuevos mundos…Y, ¿quién sabe? ¡Si nuevas formas de Vida!

A menudo implosión libera tanto calor que las capas exteriores de la estrella explotan por la presión de la radiación, y la implosión queda interrumpida produciéndose una esfera extremadamente compacta de “material nuclear” que conocemos como una estrella de neutrones. Algunas veces, estas estrellas de neutrones rotan con una tremenda velocidad (más de 500 revoluciones/segundo), y, debido a irregularidades en la superficie, emiten una señal de radio que pulsa con esa velocidad.

Si todos estos sucesos pudieran ser observados una distancia segura, las señales emitidas por el material durante la implosión pronto serían demasiado débiles para ser detectadas y, en el caso de un afgujero negro, el objeto se vuelve de ese color y desaparece de nuestra vista convertido en una “bola de gravedad pura”, se pueden calcular sus propiedades con precisión matemática. Sólo se necesitan tres parámetros para caracterizar completamente al agujero negro: su masa, su movimiento angular (cantidad de movimiento de rotación) y su carga eléctrica.

También se calcular como se comportan los chorros de partículas cuando se aventuiran cerca del agujero negro. Hawking ya nos habló de ello y explicó con suficiente claridad, lo que pasaba era que, en contra de lo que pudiéramos pensar, el agujero emite un débil flujo de partículas en ciertas circunstancias. ¿Esas partículas son reales! Agujero Negro está emitiendo un flujo constante de partículas de todas las especies concebibles.

El Telescopio Espacial Hubble y Chandra han captado la imagen de un impresionante anillo de Agujeros negros. La fotografía corresponde al conjunto Arp 147, en el que aparecen 2 galaxias interactuando entre sí y que se ubican a una distancia de 430 millones de años luz de la Tierra. La NASA combinó datos del Chandra con imágenes del Hubble. Mientras los tonos rojos, azules y verdes fueron resultado del trabajo del Hubble; los de color magenta, del Chandra. La captura muestra un anillo formado por estrellas masivas que evolucionaron rápidamente y explotaron en supernovas, como consecuencia de una colisión galáctica. Es así como dejaron densas estrellas de neutrones y posiblemente, también agujeros negros.

En el Universo ocurren sucesos que no podemos ni imaginar, tales son las fuerzas y energías que ahí están presentes y que dan lugar a maravillas que desembocan en transiciones de fase que convierten unas cosas en otras muy distintas haciendo que la diversidad exista, que la belleza permanezca, que la monotonía no sea el camino.

Es cierto que nunca hemos podido estar tan cerca de un agujero negro como poder comprobar, in situ, la radiación Hawking que, para su formulación, sólo utilizó leyes bien establecidas de la naturaleza y que, por tanto, el resultado debería ser incuestionable, pero no es del todo cierto por dos razones:

La primera razón es que nunca ( he dicho) hemos sido capaces de observar un agujero negro de cerca y mucho de un tamaño tan pequeño que su radiación Hawking pueda ser detectada. Ni siquiera sabemos si tales miniagujeros negros existen en nuestro universo, o si sólo forman una minoría extremadamente escasa entre los objetos del cielo. Aunque pensemos conocer la teoría, no nos habría hecho ningún daño haber podido comprobar sus predicciones de una o de otra. ¿Sucede todo exactamente como pensamos actualmente que debería suceder?

Otros, como Gerald ´t  Hooft, consiguieron construir otro de teorías alternativas y le dieron resultados distintos a los de Hawking, en la que el Agujero Negro podia radiar con una intensidad considerablemente mayor que la que la teoría de Stephen predecía.

Hay un aspecto relacionado con la radiación Hawking mucho más importante. El agujero negro disminuye su tamaño al emitir partículas, y la intensidad de su radiación crece rápidamente según se reduce su tamaño. Justo de llegar a los estadios finales, el tamaño del agujero negro se hará comparable a la longitud de Planck y toda la masa llegará a ser sólo un poco mayor que la masa de Planck, Las energías de las partículas emitidas corresponderan a la masa de Planck.

¡Solamente una teoría completa de la Gravedad Cuántica podrá predecir y describir exactamente lo que sucede al agujero negro en ese ! es la importancia de los Agujeros Negros la teoría de partículas elementales en la Longitud de Planck. Los agujeros negros serían un laboratorio ideal para experimentos imaginarios. Todos alcanzan, por sí mismos, el régimen de energía de los números de Planck, y una buena teoría debe ser capaz de decirnos como calcular en ese caso. casi una década, Gerad ´t Hoofft ha resaltando esa objeción en la teoría de supercuerdas: no nos dice nada de los agujeros negros y mucho de cómo un agujero negro comenzar su vida como un agujero negro de tamaño “astronómico” y acabar su vida explosivamente.

Lo cierto es que, andamos un poco perdidos y no pocos físicos (no sabemos si de interesada), insisten una y otra vez, en cuestiones que parecen no llevar a ninguna parte y que, según las imposibilidades que nos presentan esos caminos, no sería conveniente elegir otros derroteros para indagar nuevas físicas mientras tanto, avanzan las tecnologías, se adquieren más potentes y nuevas formas de energías que nos puedan permitir llegar a sondear las cuerdas y poder vislumbrar si, es cierto, que pueda existir alguna “materia oscura”, o, si existen bosones dadores de masa, o…¡tántas cosas más que, la lista, sería interminable! de las cosas que no sabemos.

emilio silvera

La precisión de este reloj atómico se apoya en que los átomos de estroncio oscilan 431 billones de veces cada segundo. / MARTI/JILA

 

“Tendrían que pasar 15.000 millones de años para que el nuevo reloj atómico creado por físicos de EE UU retrasara un segundo. Para hacerse una idea, la edad del universo apenas llega a los 14.000 millones de años. El reloj ofrece tal precisión y estabilidad que podrían alumbrar descubrimientos científicos ni siquiera aún imaginados.

Como los relojes mecánicos, los atómicos se aprovechan de las oscilaciones. Pero en su interior no llevan un minúsculo engranaje o péndulo ni cuarzo al que se hace vibrar, sino átomos que oscilan de forma natural a una determinada frecuencia (expresada en hercios). El primer reloj atómico se creó en 1949 y 20 años más tarde, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas adoptó esta tecnología para fijar la duración exacta del segundo: 9.192.631.770 ciclos de un átomo de cesio 133 a una temperatura de cero absoluto. Los relojes atómicos de cesio más avanzados adelantan o atrasan un segundo cada 300 millones de años.

Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), de EE UU, de donde salió el primer reloj atómico en 1949, han logrado un doble récord de precisión con un reloj experimental que usa átomos de estroncio en vez de los de cesio. Sus cálculos apuntan a que los agentes que afectan al tictac atómico, como la gravedad o los campos electromagnéticos, necesitarían 15.000 millones de años para que el reloj atrasara o adelantara un segundo.

Una matriz creada por rayos láser atrapa los átomos de estroncio en una cámara de vacío

El enorme incremento en la precisión tiene una base natural y objetiva. Mientras los átomos de cesio 133 tienen aquellos 9.000 millones de ciclos por segundo, los del estroncio lo hacen a un ritmo de 431 billones por segundo. Además de preciso el nuevo reloj atómico es muy estable. En el campo de la cronometría, la estabilidad se refiere a la coincidencia en la duración de cada tictac con los demás. Aquí, esta bestia del tiempo ha mejorado en un 50% respecto a la marca obtenida por este mismo equipo de investigadores el año pasado, según explican en Nature Communications.

Para funcionar, los relojes atómicos usan una red creada con rayos láser que se entrecruzan atrapando los átomos en su baile oscilatorio dentro de una cámara de vacío. Esta malla es una de sus grandes ventajas, ya que apoyan sus mediciones en una nube de átomos y no en uno solo. Además, no hay que enfriar de forma artificial los átomos.

“El reloj opera a temperatura ambiente”, dice en una nota el físico del centro conjunto de investigación del NIST y la Universidad Boulder de Colorado (EE UU), Jun Ye. “Esto es uno de los aspectos más importantes de nuestro enfoque, ya que podemos operar el reloj con una configuración sencilla y mantener al mismo tiempo la incertidumbre por la radiación de cuerpo negro al mínimo”, añade. Esta radiación, relacionada con la temperatura, podría afectar a la precisión del reloj.

Entre las aplicaciones que se podrían aprovechar de esta mejora, están todos los sistemas que necesitan de una medida precisa y estable del tiempo, como el GPS, los sistemas de navegación autónoma o las misiones espaciales. Por ejemplo, las actuales transacciones de alta frecuencia en la bolsa exigen estar referenciadas a algún sistema basado en relojes atómicos.

El físico del NIST, Jun Ye, lleva una década investigando con relojes atómicos basado en átomos de estroncio. / J. Burrus/NIST

Pero estos relojes de estroncio y otros elementos como el iterbio son tan precisos y estables que, dándole una vuelta a su uso, podrán servir para investigar las propias fuerzas que han sido las tradicionales enemigas de la medición exacta del tiempo. Al ser casi inmunes a la acción de la gravedad, los campos magnéticos o la temperatura, podrían convertirse en los mejores sensores para medir el más pequeño cambio en ellas.”

¿Hasta dónde queremos llegar?