El Pensador y la Rosa

El modelo estándar de partículas fundamentales y sus interacciones

Esta imagen representa todo lo que conocemos, y que se ha podido verificar experimentalmente, sobre la estructura de la materia de la que estamos hechos nosotros y todo lo que hasta ahora hemos observado en el universo, con el nivel de precisión que podemos alcanzar utilizando los instrumentos que tenemos.

Equilibrio, estabilidad: el resultado de dos fuerzas contrapuestas que en el átomo están presentes

Por ahí deambula uno de mis trabajos sobre este mismo tema que titulé ¡La perfección imperfecta! En referencia al Modelo Estándar que no incorpora la Gravedad, y, se ha construido un edificio que nos habla de cómo funciona el universo y, sin embargo, le falta uno de sus pilares, precisamente, ese que nos dice como es su geometría espacial en presencia de grandes masas.

“Colisión del Bosón de Higgs desintegrándose en fermiones”. Primeras evidencias de un nuevo modo de desintegración del bosón de Higgs. Las primeras evidencias de la desintegración del recién descubierto bosón de Higgs en dos partículas denominadas tau, pertenecientes a la familia de partículas que compone la materia que vemos en el Universo. Hasta ahora los experimentos del LHC habían detectado la partícula de Higgs mediante su desintegración en otro tipo de partículas denominadas bosones, portadoras de las fuerzas que actúan en la Naturaleza, mientras las evidencias de desintegraciones en fermiones no eran concluyentes. Esta es la primera evidencia clara de este nuevo modo de desintegración del bosón de Higgs.”

La regla universal en la física de partículas es que cuando las partículas chocan con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructurtas cada vez menores, más pequeñas en el espacio y en el tiempo. Supongamos por un momento que tenemos a nuestra disposición un Acelerador de Partículas 10.000 veces más potente que el LHC, donde las partículas pueden adquirir esas tantas veces más energías de las alcanzadas actualmente. Las colisiones que tendrían lugar nos dirían algo acerca de los detalles estructurales de esas partículas que ahora no conocemos, que serían mucho más pequeñas que las que ahora podemos contemplar.

Ahora el LHC se prepara para nuevas aventuras y experimentos mayores, con mayores energías. ¿Podeis imaginar conseguir colisiones a 70.000 TeV? ¿Que podríamos ver? Y, entonces, seguramente, podríamos oir en los medios la algarada de las protestas de algunos grupos:  “Ese monstruo creado por el hombre puede abrir en el espacio tiempo agujeros de gusano que se tragará el mundo y nos llevará hacia otros universos”

¿Justifica el querer detectar las partículas que conforman la “materia oscura”, o, verificar si al menos, podemos vislumbrar la sombra de las “cuerdas” vibrantes de esa Teoria del Todo, el que se gasten ingentes cantidades de dinero en esos artilugios descomunales? Bueno, a pesar de todos los pesares, la respuesta es que SÍ, el rendimiento y el beneficio que hemos podido recibir de los aceleradores de partículas, justifica de manera amplia todo el esfuerzo realizado, toda vez que, no solo nos ha llevado a conocer muchos secretos que la Naturaleza celosamente guardaba, sino que, de sus actividades hemos tenido beneficios muy directos en ámbitos como la medicina, las comunicaciones y otros que la gente corriente desconocen.

¿Implica el ajuste fino un diseño con propósito? ¿Hay tantos parámetros que deben tener un ajuste fino y el grado de ajuste fino es tan alto, que no parece posible ninguna otra conclusión?

Hoy, el Modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero tenemos algunas razones para sospechar que tales predicciones resultan estar muy alejadas de la realidad, o, incluso, ser completamente falsas. Cuando tenemos la posibilidad de llegar más lejos, con sorpresa podemos descubrir que aquello en lo que habíamos creído durante años, era totalmente diferente. El “mundo” cambia a medida que nos alejamos más y más de lo grande y nos sumergimos en ese otro “mundo” de lo muy pequeño, allí donde habitan los minúsculos objetos que conforman la materia desde los cimientos mismos de la creación.

Así el modelo que tenenos de la física de partículas se llama Modelo Estándard y, nos habla de las interacciones entre partículas y las fuerzas o interraciones que están presentes, las leyes que rigen el Universo físico y que, no hemos podido completar al no poder incluir una de las fuerzas: La Gravedad. Claro que, no es esa la única carencia del Modelo, tiene algunas más y, a estas alturas, se va necesitando un nuevo Modelo, más completo y audaz, que incluya a todas las fuerzas y que no tengá parámetros aleatorios allí donde nuestros conocimientos no llegan.

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.

E = mc² . Esta es la mejor prueba de lo que decimos arriba.

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.

El principio director del modelo estándar dicta que sus ecuaciones son simétricas. De igual modo que una esfera ofrece el mismo aspecto desde cualquier punto de vista, las ecuaciones del modelo estándar subsisten sin variación al cambiar la perspectiva desde la que son definidas. Las ecuaciones permanecen invariables, además, cuando esta perspectiva se desplaza en distinta magnitud a diferentes puntos del espacio y el tiempo.

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  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.

La luz antigua absorbida por átomos de hidrógeno neutro podría usarse para probar ciertas predicciones de la Teoría de Cuerdas, dicen los cosmólogos de la Universidad de Illinois. Realizar tales medidas, sin embargo, requeriría que se construyese un gigantesco conjunto de radio telescopios en la Tierra, el espacio, o la Luna.

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”

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.

Para desarrollar la superteoría de Kaluza-Klein en once dimensiones, uno tiene que incrementarenormemente las componentes del interior del Tensor métrico de Riemann (que Einstein utilizó en cuatro dimensiones, tres de espacio y una de tiempo para su relatividad general y más tarde, Kaluza, añadiendo otra dimensión de espacio, la llevó hasta la quinta dimensión haciendo así posible unir la teoría de Einstein de la gravedad, con la teoría de Maxwell del electromagnetismo), que ahora se convierte en el supertensor métrico de Riemann.

Hasta hoy, no se ha logrado, ni mucho menos, inventar una teoría de campo consistente totalmente unificadora que incluya la gravedad. Se han dado grandes pasos, pero las brechas «científicounificantes» siguen siendo amplias. El punto de partida ha sido siempre la teoría de la relatividad general y conceptos con ella relacionados, por la excelencia que manifiesta esa teoría para explicar la física gravitatoria macrocósmica. El problema que se presenta surge de la necesidad de modificar esta teoría sin perder por ello las predicciones ya probadas de la gravedad a gran escala y resolver al mismo tiempo los problemas de la gravedad cuántica en distancias cortas y de la unificación de la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza.

Su tensor métrico es un tensor de rango 2 que se utiliza para definir … Sin embargo, en otras teorías se ha elevado el rango y se pueden definir múltiples universos de dimensiones más altas.

El tensor métrico se podría adaptar a las necesidades de la búsqueda estableciendo la multiplicidad de dimensiones que la teoría exigía para su desarrollo.

Más allá de lo que nos permiten captar nuestros sentidos físicos, hay que tener nuestra mente abierta a la posibilidad de que puedan existir otras realidades diferentes a lo que nos dicta nuestra experiencia, realidades capaces de ser descubiertas por la fuerza del intelecto cuando nos atrevemos a cuestionar aquello que creíamos como absoluto.

Esta nueva teoría de supergravedad pretendía la unificación de todas las fuerzas conocidas con la materia, y, como en un rompecabezas, encajarlas en el Tensor de Riemann tan solo con elevar el número de dimensiones que exigía más componentes y nos daba el espacio necesario para poder ubicar en sus apartados correspondientes, todas las fuerzas fundamentales y también la materia, la que podía satisfacer, casi en su totalidad, el sueño de Einstein.

A partir de aquí, de estas ecuaciones, surgió todo. Este fue el puerto de donde salió el bajel de la de Kaluza-Gleim, la supergravedad y supersimetría, la cuerda heterótica y la Teoría de cuerdas, todo ello, rematado con la finalmente expuesta, teoría M.

La supergravedad casi consigue satisfacer el sueño de Einstein de dar una derivación puramente geométrica de todas las fuerzas y partículas del universo. Al añadir la supersimetría al Tensor métrico de Riemann, la métrica se duplica en tamaño, dándonos la supersimetría de Riemann. Las nuevas componentes del súper tensor de Riemann corresponden a quarks y leptones, casi todas las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza: la teoría de la gravedad de Einstein, los campos de Yang-Mills y de Maxwell y los quarks y leptones. Pero el hecho de que ciertas partículas no estén en esta imagen nos obliga a buscar un formalismo más potente:

La materia con todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los bosones intermediarios o partículas portadoras de las fuerzas como el fotón para el electromagnetismo, los gluones para la fuerza nuclear fuerte, las partículas W y Z para la nuclear débil y, en la partícula portadora de la gravedad, el gravitón, ponemos el signo de interrogación, ya que se sabe que esta ahí en algún sitio pero hasta la fecha no ha sido detectado.

Antes de continuar con la teoría de súper cuerdas, o con su versión más avanzada la teoría M, parece conveniente recordar que hasta el momento los ladrillos del universo eran los quarks, las partículas más pequeñas detectadas en los aceleradores del CERN y FERMILAB. Pero ¿están hechos de cosas más pequeñas?, eso no lo sabemos. El Modelo Estándar, menos avanzado que las otras teorías, nos dice que los quarks son las partículas más pequeñas y forman protones y neutrones constituyendo la formación interna del átomo, el núcleo. En la actualidad, nuestros aceleradores de partículas no tienen capacidad para ahondar más allá de los quarks y averiguar si a su vez, éstos están formados por partículas aún más pequeñas.

No podemos saber (aún) que es lo que pueda haber (si es que lo hay) más allá de los Quarks, los constituyentes de la materia más pequeños conocidos hasta el momento actual. Sin embargo, no se descarta que puedan existir partículas más simples dentro de los Quarks que, al fin y al cabo, no serían tan elementales.

Por otro lado, los físicos están casi seguros de que los leptones no están compuestos de partículas más pequeñas. Sin embargo, esta sospecha no se tiene en el caso de los quarks; no se sabe qué puede haber detrás de ellos. Tan sólo se ha llegado a desconfinarlos junto con los gluones y por un breve periodo de tiempo de los protones y neutrones que los mantenían aprisionados, formando – en esos breves instantes – una materia plasmosa. No es raro oir dentro de la comunidad científica a los físicos teóricos hablando de prequarks.

Como antes hemos comentado de pasada, el Modelo Estándar agrupa las partículas en familias:

Fermiones y Bosones

Cada leptón grande, es decir, el electrón, el muón y el tau, tiene un primo pequeño. Así el electrón tiene un neutrino electrónico, el muón un neutrino muónico y el tau un neutrino tau. Como se puede ver en la tabla anterior la única diferencia entre el electrón, el muón y el tau es la masa, que va creciendo. Todos tienen carga eléctrica negativa. Los neutrinos en cambio no tienen carga y tienen una masa muy pequeña (pero tienen y es una de las razones por la que se dice que los neutrinos cambian de sabor, es decir cuando salen, por ejemplo, del sol salen en forma de neutrinos electrónicos pero cuando los detectamos en la tierra, vemos que llegan menos neutrinos electrónicos de los que deberían, porque durante el viaje han cambiado de sabor y se han convertido en neutrinos muónicos o tau).

Los bariones se componen de tres quarks o tres antiquarks. En este último caso se denominan antibariones.

Los mesones se componen de dos quarks y obligatoriamente uno es un quark y el otro un antiquark.

Claro, son muchos más. Además de los Bariones, también forman parte de la familia hadrónica los mesones y la lista de unos y otros es larga y cada individuo, como es natural, tiene sus propias características que lo hacen único.

 El vacío superconductor – La máquina de Higgs-Kibble II

 « Abundancia Cósmica de los Elementos

Cuando hablamos de masa, nos estamos refiriendo a la medida de la inercia de un cuerpo, es decir, su resistencia a la aceleración. Todos sabemos la inmensa cantidad de combustible que se necesita para enviar al espacio exterior a esos transbordadores que llevan suministros y astronáutas al espacio exterior para el mantenimeinto de la Estación Espacial Internacional. El esfuerzo, es vencer la masa que se quiere transportar hasta que esta, alcanzando los 11 km/s de velocidad, pueda escapar de la fuerza de gravedad de la Tierra y poder así, cumplir con su cometido.

De acuerdo con las leyes de Newton del movimiento, si dos masas distintas, m₁ y m₂, son hechas colisionar en ausencia de cualquier otra fuerza, ambas experimentaran la misma fuerza de colisión. Si los dos cuerpos adquieren aceleraciones a₁ y a₂, como resultado de la colisión, entonces m₁ a₁ = m₂ a₂. Esta ecuación permite comparar dos masas. Si una de las masas se considera como una masa estándar, la masa de todas las demás puede ser medida comparándola con esta masa estándar. El cuerpo utilizado para este fin es un cilíndro de un kilógramo de una aleación de platino iridio. llamado el estándar internacional de masa. La masa definida de esta forma es llamada masa inercial del cuerpo.

Las masas también se pueden definir midiendo la fuerza gravitacional que producen. Por tanto, de acuerdo con la ley de gravitación de Newton, m_g = Fd² / MG, donde M es la masa de un cuerpo estándar situado a una distancia d del cuerpo de masa m_g; F es la fuerza gravitacional entre ellos, y G es la constante gravitacional. La masa definida de esta forma es la masa gravitacional. En el siglo XIX, Roland Eötvös (1848-1919) demostró experimentalmente que las masas inerciales y gravitatorias son indistinguibles, es decir, m₁ = m_g.

Aunque la masa se define formalmente utilizando el concepto de inercia,  es medida habitualmente por gravitación. El peso (W) de un cuerpo es la fuerza con la que un cuerpo es atraído gravitacionalmente a la Tierra, corregido por el efecto de la rotación, y es igual al producto de la masa del cuerpo y la aceleración en caída libre (g), es decir, W = mg.

            Kilogramo patrón.

El kilogramo (unidad de masa) tiene su patrón en: la masa de un cilindro fabricado en 1880, compuesto de una aleación de platino-iridio (90 % platino – 10 % iridio), creado y guardado en unas condiciones exactas, y que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sevres, cerca de París.

Una balaza mide solo cantidad de masa.

La masa es la única unidad que tiene este patrón, además de estar en Sevres, hay copias en otros países que cada cierto tiempo se reúnen para ser regladas y ver si han perdido masa con respecto a la original.

No olvidemos que medir es comparar algo con un patrón definido universalmente.

¿Y el peso?

De nuevo, atención a lo siguiente: la masa (la cantidad de materia) de cada cuerpo es atraída por la fuerza de gravedad de la Tierra. Esa fuerza de atracción hace que el cuerpo (la masa) tenga un peso, que se cuantifica con una unidad diferente: el Newton (N).

La UNIDAD DE MEDIDA DEL PESO ES EL NEWTON (N)

Entonces, el peso es la fuerza que ejerce la gravedad sobre una masa y ambas magnitudes son proporcionales entre sí, pero no iguales, pues están vinculadas por el factor aceleración de la gravedad.

En el lenguaje común, el peso y la masa son frecuentemente usados como sinónimos; sin embargo, para fines científicos son muy diferentes. La masa es medida en kilogramos; el peso, siendo una fuerza, es medido en newtons (símbolo N. Unidad del SI de la fuerza, siendo la fuerza requerida para comunicar a una masa de un kilogramo una aceleración de 1 m s –²). Es más, el peso depende de donde sea medido, porque el valor de g es distintos en diferentes puntos de la superficie de la Tierra. La masa, por el contrario, es constante donde quiera que se mida, sujeta a la teoría especial de la relatividad. De acuerdo con esta teoría, publicada por Albert Einstein en 1905, la masa de un cuerpo es una medida de su contenido total de energía.

Por tanto, si la energía del cuerpo crece, por ejemplo, por un aumento de su energía cinética o temperatura, entonces su masa también crece. De acuerdo con esta ley, un aumento de energía ΔE está acompañado de un aumento de masa Δm, en conformidad con la ecuación de masa-energía  Δm = ΔE/c^2, donde c es la velocidad de la luz. Por tanto, si un kilo de agua se eleva de temperatura en 100 K, su energía interna aumentará en 4 x 10 –¹² kg. Este es, por supuesto, un incremento despreciable y la ecuación de masa-energía es sólo significativa para energías extremadamente altas. Por ejemplo, la masa de un electrón es siete veces mayor si se mueve con relación a un observador al 99% de la velocidad de la luz.

Ya sabemos que, se ha comprobado una y mil veces que, la teoría de Einstein de la relatividad especial es cierta en el sentido de que, al ser la velocidad de la luz el límite de velocidad del Universo, nada puede ir más rápido que la luz, cuando un cuerpo viaja a velocidades cercanas a la de la luz, a medida que se acerca a ella, puede ver como su masa aumenta, ya que, la energía de movimiento se convierte en masa al no poder conseguir su objetivo de marchar más rápido que la luz.

En los anillos enterrados en las entrañas de la Tierra, haces de partículas son lanzadas a la velocidad de la luz para que colisionen y, su peso aumenta conforme se van acercando a ese límite marcado por el universo.

La masa relativista de un cuerpo medida por un observador (un físico del LHC que mide el aumento de masa de los protones a medida que adquieren velocidad en el acelerador de partículas del CERN) con respecto al cual este cuerpo se mueve. De acuerdo con la teoría de Einstein, la masa m de un cuerpo moviendose a velocidad v está dada por  m = m₀/√ (1 – v² / c²), donde m₀ es su masa en reposo y c es la velocidad de la luz. La masa relativista solo difiere significativamente de la masa en reposo si su velocidad es una fracción apreciable  de la velocidad de la luz. Si v = c/2, por ejemplo, la masa relativista es un 15% mayor que la masa en reposo.

Según las consecuencias obtenidas en el proyecto Manhattan, lo que sí es seguro es que, una pequeña fracción de materia, contiene una gran cantidad de energía. Según nos decía Asimov: “…un sólo gramo de materia se podría convertir en energía eléctrica que bastaría para mantener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años. O bien, la energía que representa un sólo gramo de materia es equivalente a la que se obtendría de quemar unos 32 millones de litros de gasolina”.

Una cosa si que nos puede quedar muy clara: Aunque sabemos algunas cosas sobre la masa y lo que entendemos por la energía, no podemos decir que, al día de hoy, “sepamos de verdad”, lo que la masa y la energía son.

Seguiremos aprendiendo. Sin embargo, nunca dejes de tener en cuenta que, lo que es cierto hoy, mañana será una verdad distinta. Todo dependen de la teoría aceptada en el momento, toda vez que, con el paso del tiempo las ideas evolucionan y todo es mejorables a medida que nuestros conocimientos avanzan. Así que la idea que podamos tener de Gravedad, masa, energía e inercia, mañana podría ser distinta a la que hoy podamos tener.

emilio silvera

  ¿Seguir soñando? Sí, pero, sin dejar de avanzar

No varían con el paso del Tiempo. Existen muchas constantes físicas; algunas de las más conocidas son la constante de Planck racionalizada , la constante de gravitación , la velocidad de la luz , la permitividad en el vacío psilon, La constante de estructura fina α, la permeabilidad magnética en el vacío y la carga elemental . Todas éstas, por ser tan fundamentales, son llamadas constantes universales. La Constante de Gravedad es la más imprecisa de todas ellas y nunca la hemos sabido medir con una gran precisión a pesar de Newton y Einstein. La Gravedad, también es una constante porque se comporta siempre de la misma manera en circunstancias similares. El resultado de sus mediciones resultarán exactamente iguales en las mismas circunstancias y lugares. Aunque la precisión no sea tan grande como las que pueden ser obtenidas al medir otras constantes como la de la luz, por ejemplo.

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.

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 fuerza gravitatoria 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.

El problema de si las constantes físicas son constantes se las trae. Aparte del trabalenguas terminológico arrastra tras de sí unas profundas consecuencias conceptuales. Ahora unos experimentos han obtenido resultados que van encaminados hacia el hecho de que la constante de estrucutra fina, pudiera ser variante con el tiempo y el lugar, lo cual, al menos a mí no me cuadra por muchos gráficos que nos quieran presentar como el de abajo.

En verde, los datos obtenidos únicamente a través del telescopio Keck. El azul, solo los del VLT y la región roja es la combinación de ambos. La parte gris corresponde a la vía láctea. Todo está representado en coordenadas ecuatoriales (ascensión recta y declinación).

Si la constante variara de forma espacial esto tocaría la fibra sensible de la Relatividad aunque no es algo que pille de nuevas porque hay ya algunas teorías que plantean que esto pueda suceder. Si la variación es muy suave también podría significar que el universo es mucho mayor que la parte observable del mismo y entonces estaríamos hablando de un universo que incluso podría ser infinitamente grande donde las constantes variaran muy poco en el radio del universo observable, lo bastante poco para que nos parecieran constantes hasta que nos fijáramos lo suficiente.

Si las constantes fuesen variables… ¿Tendríamos un mundo del revés? O, simplemente no tendríamos ningún mundo. Bueno, el cambio de las constantes no es que pusiera el mundo del revés, sino que, simplemente, el mundo tal como lo conocemos, no sería. Igualmente, el Universo sería también distinto y, vaya usted a saber que clase de universos y mundos serían. ¿Un electrón diferente? ¿Qué pasaría con los átomos y la materia, y las estrellas y…nosotros?

Pero esto no es tan simple. Un pequeño cambio ya hace que no sean constantes y eso trae problemas a nivel teórico. También nos complicaría un poco la vida pensar en cómo sería el universo en otras regiones donde las constantes tengan valores muy distintos a los que conocemos actualmente. Es tan antinatural que, no creo que alfa, la constante de estrucutra fina, no sea invariante.

La constante de estructura fina de Sommerfeld (símbolo ) es la constante física fundamental la que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética. Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado.

La expresión que la define y el valor recomendado por acodata en 2002 es:

.

donde:

• es la carga elemental,
  
• es la constante racionalizada de Planck,
  
• es la velocidad de la luz en el vacío, y
• es la permitividad del vacío.

Sí, las Constantes Universales siempre dieron mucho que hablar. El Universo es como es gracias a equilibrios entre fuerzas y, por ejemplo, en un átomo la carga negativa de los electrones es similar a la carga positiva de los protones, y, tal equilibrio de fuerzas hace posible la estabilidad para que se formen y se junten para formar moléculas y materia. En las estrellas, una fuerza, la fusión tienede a expandir a la estrella, otra fuerza, la de Gravedad, tiende a comprimirla, y, de esta manera, aparece el equilibrio necesario para que las estrellas brillen durante miles de millones de años y lancen al espacio interestelar su luz y su calor, creen elementos complejos, y, en su final, hagan que sea posible sembrar de materiales diversos en inmensas nubes la materia primigenia para la vida, y, todo ello, en presencia de las fuerzas fundamentales y las constantes de la naturaleza.

Todo lo que vemos y que está presente en nuestro Universo es denbido a que las constantes son las que son y no otras diferentes, a que tienen los valores que tienen y no otros, a que funcionan de la manera que hemos podido observar y no otra. Con otras constantes diferentes, también el Universo sería otro universo y no el nuestro, el que conocemos y nos deja estar aquí para contarlo.

Así que, sería preferible que las constantes de la Naturaleza se queden tal cual. ¿Qué ganaríamos nosotros si cambiaran? ¿Desaparecer? No gracias. Aunque no como quisieramos pero, estamos bien aquí, al menos hay una oportunidad para cambiar las cosas.

Si esas constantes variaran, ¿que sería de nosotros? Sabemos que, universos con las constantes ligeramente alteradas nacerían muertos, privados del potencial para desarrollar y sostener el tipo de complejidad organizada que llamamos vida.   ¿Son las Constantes de la Naturaleza realmente constantes?   Un experimento llevado a buen fin por un grupo de investigadores, han puesto en práctica un método por ellos ideado mediante el cual, han podido examinar las Constantes de la Naturaleza durante los últimos 11.000 millones de años de la historia del Universo.   Considerando las pautas atómicas que son similares a códigos de barras en la luz que nos llega de Cuásares lejanos, podemos mirar y ver cómo eran los átomos cuando la luz inició su viaje hace miles de millones de años. Así, ¿fueron siempre iguales las constantes de la Naturaleza? La respuesta, inesperada y escandalosa, plantea nuevas posibilidades para el Universo y las leyes que lo rigen.

¿Qué secretos tan profundos se esconden detrás de esta simple ecuación? Desde el comienzo de la “buena” Física, los mejores han tratado de desvelar lo que ahí está escondido. Es la Constante de estructura Fina, otra vez el número puro y adimensional, 137 que guarda los misterios del electromagnetismo, e, la Relatividad de Einstein, c, y, la constante de Planc, h.   A pesar del cambio incesante y la dinámica del mundo visible, existen aspectos de la fábrica del Universo misteriosos en su inquebrantable constancia. Son esas misteriosas cosas invariables las que hacen de nuestro Universo el que es y lo distingue de otros que pudieran existir.   Está presente un hilo dorado que teje una continuidad a través del espacio-tiempo y que, afecta a toda la Naturaleza que, de esa manera, se conforma como un todo, como un Sistema cerrado en el que, las constantes marcan un ritmo de funcionamiento y las leyes o fuerzas naturales dicen como deben cambiar las cosas.

Esas constantes de la Naturaleza están estrechamente emparentadas con las constantes de nuestros cuerpos que, como todo en el Universo, están conectados por unos hilos invisibles, a los parámetros de constantes y fuerzas que todo lo rigen.   Descubrir si las constantes que las definen están determinadas y conformadas por alguna consistencia lógica superior o sigue habiendo un papel para el Azar.   Nuestras primeras ojeadas revelan una situación muy peculiar, Mientras parece que ciertas constantes estuvieran fijadas, otras tienen espacio para ser distintas de las que son y algunas no parecen afectadas por ninguna otra cosa en el Universo. ¿Caen sus valores al Azar? ¿Podrían ser realmente diferentes? Y, si lo fueran, ¿Podría existir vida en el Universo?

Allí lejos, en esos otros mundos que, situados en galaxias lejanas son parecidos al nuestro, seguramente también, pasarán las mismas cosas que aquí si se dan las mismas circunstancias que están presentes en nuestro mundo. Situación y distancia del centro galáctico, zona habitable de su estrella… Océanos y atmósfera… ¡La vida!

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 nuestra, el Sistema solar. 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.

Constantes que hacen posible nuestra presencia

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.”

El problema de si las constantes físicas son constantes se las trae. Aparte del trabalenguas terminológico arrastra tras de sí unas profundas consecuencias conceptuales. Lo primero, uno de los pilares fundamentales de la relatividad especial es el postulado de que las leyes de la física son las mismas con independencia del observador. Esto fue una generalización de lo que ya se sabía cuando se comenzó a estudiar el campo electromagnético, pero todo lo que sabemos en la actualidad nos lleva a concluir que Lo que ocurra en la Naturaleza del Universo está en el destino de la propia Naturaleza del Cosmos, de las leyes que la rigen y de las fuerzas que gobiernan sus mecanismos sometidos a principios y energías que, en la mayoría de los casos, se pueden escapar a nuestro actual conocimiento.

Yo aconsejaría a los observadores que informaron y realizaron “el estudio” (que se menciona más arriba) 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 tratarse de una osadía, 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)

Los autores de tal “estudio” se empeñaron en decir que:

 

“La Tierra se ubica en alguna parte del medio de los extremos, según la constante “alpha”. Si esto es correcto, explicaría por qué dicha constante parece tener un valor sutilmente sintonizado que permite la química, y por lo tanto la vida, como la conocemos.

Con un aumento de 4% al valor de “alpha”, por ejemplo, las estrellas no podrían producir carbón, haciendo nuestra bioquímica imposible, según información que hemos podido obtener de profundos estudios sobre el tema que nos dicen que si la constante de estructura fina α, fuese variable, no se podría producir el proceso triple Alfa que produce el Carbono.

Siendo cierto que una pequeña variación de Alfa, no ya el 4%, sino una simple diezmillonésima, la vida no podría existir en el Universo. 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:

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. 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

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

Según la teoría de la relatividad de Einstein, ninguna información puede viajar a mayor velocidad que la luz. Científicos australianos afirman, sin embargo, haber desarrollado las fórmulas que describen viajes más allá de este límite.

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 Lorentz. 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 muy 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.

La revolución de la mecánica cuántica empieza a materializarse, y el qubit es el principal protagonista. Siendo la unidad mínima de información de este extraño mundo, permitirá procesar toda la información existente en segundos. La revolución de la mecánica cuántica empieza a materializarse, y el qubit es el principal protagonista. Siendo la unidad mínima de información de este extraño mundo, permitirá procesar toda la información existente en segundos.

No podemos descartar la idea de que, en realidad, puedan existir “seres también infiniotesimales” que, en sus “pequeños mundos” vean transcurrir el tiempo como lo hacemos nosotros aquí en la Tierra. En ese “universo” especial que el ojo no puede ver, podrían existir 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. Si pensamos por un momento lo que nosotros y nuestro planeta significamos en el contexto del inmenso universo… ¿No viene a suponer algo así?Claro que, por muy pequeños que podamos ser en el contexto inmenso del Universo, nadie podrá nevgar que somos parte de él, y, eso amigos míos… ¡Tiene una importancia vital! No somos tan insignificantes como a primera vista nos pueda parecer, sino que formamos parte de un complejo engranaje en el que tenemos un función: La de pensar y descubrir.

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 información en el Universo. El supo revelar 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 cantante.

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 gobierna 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! Pero finalicemos volviendo de nuevo a la constante de estructura fina, α (alfa):

El día que se profundice y sepamos leer todos los mensajes subyacentes en el número puro y adimensional 137, ese día, como nos decía Heinsemberg, se habrán secado 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.

¡Quién tuviera el intelecto necesario para comprender todos esos mensajes y poder desvelar sus secretos!

emilio silvera