Hasta el descubrimiento del electrón por J. J. Thomson en 1.897, se pensaba que los átomos eran los constituyentes fundamentales de la materia, como había postulado 400 años a. de C. Demócrito de Abdera. Pero el hallazgo de Thomson, junto al de Rutherford del núcleo atómico y del protón en 1.911, hizo evidente que los átomos no eran elementales, en el sentido de que tienen estructura interna.

Orbitales atómicos y moleculares. El esquema de la izquierda es la regla de Madelung para determinar la secuencia energética de orbitales. El resultado es la secuencia inferior de la imagen. Hay que tener en cuenta que los orbitales son función de tres variables, la distancia al núcleo, r y dos ángulos. Las imágenes sólo representan la componente angular del orbital.

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.

Experimental y teóricamente se busca esa teoría cuántica de la gravedad pero… Nadie la sabe encontrar y, dicen que sólo en la Teoría de Cuerdas está implícita esa teoría que acogería sin pronblemas de infinitos a la relaticidad de Eintein y la cuántioca de Planck.

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

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Uno de los lectores nos enlaza con la Revista online de ciencia, tecnología, historia, salud y medio ambiente que arriba reseño como título y en la que se ha publicado un interesante artículo que demuestra que, cada día, los físicos modernos profundizan más y más y en los secretos de la mecánica cuántica que, como podemos ver al leer el trabajo aquí expuesto, cada día van siendo desvelados más y más y, si la técnica continúa avanzando, la observación y el experimento avanzan como lo están haciendo y, vamos ganando en la capacidad de efectuar mediciones cada vez más precisas, es posible, sólo posible, que algún día en el futuro podamos saber algo más sobre ese minsterioso “universo” cuántico que rige las leyes de lo muy pequeño. Aquí os dejo el artículo que, de seguro, será interesante para muchos.

Ciencia

Tenemos que cambiar la desigualdad de Heisenberg

By Octavio Ortega ⋅ enero 25, 2012

                      Ahí estaban casi todos. ¡Qué personajes!

En general se acepta que con ocasión del Congreso Solvay de 1927 se estableció una interpretación coherente de las ecuaciones y los principios de la mecánica cuántica. Sin embargo, un cuidadoso estudio de las comunicaciones de este congreso muestra que hubo muchos desacuerdos y diferencias entre los físicos de la época sobre el contenido físico de la teoría cuántica.

Disponemos en este momento de la interpretación probabilística de la función de onda de un sistema físico, dada por Max Born, y las famosas desigualdades de Heisenberg. Pero en retrospectiva, ahora parece que incluso para el joven Werner Heisenberg, el significado de estas desigualdades no era bien entendido. En términos más generales, se puede incluso decir que la vaguedad que aún prevalecía en la mente de la época persiste en muchas presentaciones elementales de la física cuántica que se hacen a los estudiantes universitarios de primer año. Esto se traduce en general por generar contrasentidos de dificultad suplementaria al aprendizaje de la física cuántica.

Las desigualdades de Heisenberg son un buen ejemplo. A menudo el estudiante que comienza a estudiar Física, engañado por el nombre de “relaciones de incertidumbre” que a veces se utiliza para referirse a estas desigualdades, piensa que existe de hecho una posición y una velocidad de una partícula cuántica, pero las leyes de la física nos permiten conocer, con una precisión infinita, estas dos variables al mismo tiempo.

Pero no se trata de…

Estas desigualdades reflejan dos cosas.

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Diversidad de ideas

Me gusta escribir sin tener un objetivo predeterminado y hacer un vuelo rasante sobre la física para escribir todo lo que estoy viendo (lo que sin llamarlo, acude a mi mente en cada instante). Es un buen ejercicio de repaso de cosas diversas que recuerdas. Por ejemplo, ahora mismo me llega la idea de que, desde la más remota antigüedad nos viene fascinando los fenómenos ópticos. De hecho, los estudios encaminados a desvelar la naturaleza de la luz han sido uno de los motores más fructíferos de la física. A ello se dedica la óptica, hoy día una de las áreas más activas de la física.

Buena prueba de ello es la rápida sucesión de Premios Nobel en ese campo en años recientes: 1.997, 2.001 y 2.005. La mitad del último premio fue a manos de Roy J. Glauber, de la Universidad de Harvard, “por sus contribuciones a la teoría cuántica de la coherencia óptica“. Estas contribuciones se recogen esencialmente en tres artículos publicados en 1.963 (se lo reconocen en 2.005). Sobre ellas se ha desarrollado la óptica cuántica. En la luz se apreció por primera vez la naturaleza dual onda-partícula de los objetos cuánticos.

El comportamiento ondulatorio de la luz sirvió de prueba experimental para la teoría electromagnética de Maxwell. La idea de la luz como un haz de fotones reapareció con Einstein en 1.905 para explicar el efecto fotoeléctrico (que le valió el Nobel de física). El dualismo onda-partícula de la luz, que De Broglie extendió a las partículas materiales, es contradictorio en el marco de la física clásica. Para reconciliar ambas imágenes hubo que desarrollar la física cuántica. No obstante, como señalaba Glauber en uno de los artículos mencionados, “la teoría cuántica ha tenido una influencia sobre la óptica que es sólo una fracción de la que históricamente ha tenido la óptica sobre la teoría cuántica”.

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El universo de las partículas es fascinante. Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundarias. En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior, han registrado la radiación primaria.

Aurora boreal

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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.

    Sí, hay que mantener una mente abierta… a lo que pueda llegar

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 supercuerdas, 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:

Claro, son muchas más las que se forman a partir de Quar y Leptones que, en realidad, son lasa únicas partículas elementales, otreas como los Hadrones que contienen dos familias: Bariones y Mesones que son los  Protones y Neutrones…y otros bariones.Los mesones son Piones y Kaones con otros más que conforman esa familia. La lista de unos y otros es larga y cada individuo, como es natural, tiene sus propias características que lo hacen único.

Y describe las interacciones que estas partículas tienen con las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, sobre todo con las nucleares fuerte y débil y la electromagnética; la gravedad se queda aparte del Modelo Estándar, ya que su incidencia con las partículas elementales es inapreciable como consecuencia de las infinitesimales masas de éstas, y ya sabemos que la gravedad se deja sentir y se hace presente cuando aparecen las grandes masas como planetas, estrellas y galaxias.

Grandes estructuras que vienen a ser como pequeños “universos islas” en los que podemos estudiar, a menos tamaño, todo lo que en el Gran Universo puede pasar. Partiendo de la base de que las leyes del universo son las mismas en todas partes, podemos tomar cualquier región del mismo y ver que, allí está ocurriendo lo mismo que aquí ocurre, es decir, están presentes las fuerzas fundamentales: nucleares débiles y fuertes, electromagnetismo y Gravedad y, todo, absolutamente todo, funciona al ritmo que dichas leyes nos marcan.

Como el Modelo Estándar es limitado, los físicos buscan desesperadamente nuevas teorías que puedan corregir y perfeccionar este modelo. Así aparecieron las teorías de supersimetría, supergravedad, supercuerdas, y ahora por último, la teoría M propuesta por Edward Witten en 1.995 y que nos quiere explicar, de manera más perfecta, el universo desde su origen, cómo y por qué está conformado ese universo, las fuerzas que lo rigen, las constantes de la naturaleza que establecen las reglas, y todo ello, a partir de pequeños objetos infinitesimales, las cuerdas, que sustituyen a las partículas del modelo estándar que creíamos elementales.

Esas partículas supersimétricas que pronostican algunas teorías, aún no han sido observadas y se espera que en el LHC puedan aparecer algunas que, desde luego, si así ocurre, sería un buen adelanto para conocer el mundo que nos acoge y la Naturaleza del Universo.

Esta nueva teoría, permite además, unificar o incluir la gravedad con las otras fuerzas, como teoría cuántica de la gravedad, todo ello mediante una teoría estructurada y fundamentada con originalidad y compactificación de las cuatro fuerzas de la naturaleza y dejando un gran espacio matemático para eliminar anomalías o perturbaciones, y se propugna con coherencia quela cuerda es el elemento más básico de la estructura de la materia; lo que estaría bajo los quarks serían unas diminutos círculos semejantes a una membrana vibrante circular y de diferentes conformaciones.

Universos Paralelos, Teorías de Cuerdas, Supergravedad, La Teoría M, y ¿Los pensamientos de la Mente, podrán dar para tanto?

Una vez se escucha sobre los fundamentos de la teoría cuántica uno no puede mas que sobrecogerse, ampliar la mente y galopar entre las múltiples posibilidades acerca de lo real e imaginario que por momentos y depende que conceptos se entrelazan intercambiables. Lo que llama la atención es que por mucho que hayan sido los físicos cuánticos más prestigiosos entre la sociedad científica los que hayan puesto sobre la mesa conceptos cuanto menos rimbombantes e inverosímiles como las multi-dimensiones, los universos paralelos, los efectos túneles y demás, sean los propios miembros  de la academia los que grandilocuentemente se ofenden cuando se hace alusión al paralelismo evidente del comportamiento y extensión de la energía  en referencia al universo preconizado por los místicos de muchas culturas. No tenemos los conocimientos necesarios para poder decir que no a esto o aquello, cada cosa tiene su lugar y tendremos que analizarlas muy a fondo y adentrarnos en esos mundos de misterio para poder decidir lo que es y lo que no puede ser.

Aquí hemos llegado a una región de la Física de las partículas donde la energía (por partícula) es mucho mayor de la que actualmente podemos estudiar en nuestros laboratorios. Claro que especulamos, pero con los datos de los que disponemos, la realidad estará muy cerca de la expuesta en el gráfico, y, en él se señalan energía que no están a nuestro alcance para conseguir lo que se quiere saber.

Ed Witten, en su trabajo, presentó amplias evidencias matemáticas de que las cinco teorías obtenidas de la primera revolución, junto con la más reciente conocida como la supergravedad (supercuerda después), en 11 dimensiones, eran de hecho parte de una teoría inherentemente cuántica y no perturbativa conocida como teoría M. Las seis teorías están conectadas entre sí por una serie de simetrías de dualidad T, S, y U. Además, de la teoría propuesta por Witten se encuentran implícitas muchas evidencias de que la teoría M no es sólo la suma de las partes, sino que se vislumbra un alentador horizonte que podría concluir como la teoría definitiva tan largamente buscada.

Los resultados de la segunda revolución de las supercuerdas han demostrado que las cinco teorías de cuerdas forman parte de un solo marco unificado, llamado Teoría M.

Las supercuerdas, en realidad, sólo es otra manera utilizada por los científicos a la búsqueda de la verdad que la Humanidad necesita y reclama para continuar con su propia evolución que, sin esos conocimientos, quedaría estancada.

Como se puede ver, las partículas implicadas en el Modelo Estándar están en un mundo microscópico de 10^-17cm que sí dominan nuestros aceleradores, mientras que la cuerda está en una distancia de 10^-33 cm que les está prohibida, allí no podemos llegar, no disponemos de la energía suficiente para ello.

               Desplazarmos burlando la velocidad de la luz

Igual que con la energía accequibles por el momento, igual nos pasa con las distancias que, también nos tiene paralizados en nuestros deseos de visitar mundos lejanos, no podemos al no disponer de los medios mediante los cuales poder soslayar las distancias de tantos años-luz como tendríamos que recorrer. ¿Habrá otro camino?

Está muy claro para los físicos que, aunque teóricamente, en la Teoría de Supercuerdas se pueden unir todas las fuerzas, todavía tenemos que seguir sosteniendo que la gravedad resulta una fuerza solitaria para todos los efectos, ya que ha resistido todos los intentos para saber, con certeza, si finalmente se podrá unir a las otras fuerzas de la naturaleza. La gravedad está descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein y tiene una naturaleza esencialmente geométrica. Se entiende como la curvatura del espaciotiempo alrededor de un objeto masivo. En los gráficos, generalmente, se representa como un objeto pesado sobre una superficie fina y tensa (una pelota o bola pesada de jugar a los bolos que dejamos encima de una sábana extendida tirando de las cuatro esquinas). El peso de la bola (materia) hundirá la sábana (espaciotiempo) con mayor intensidad en la distancia más cercana a donde se encuentre masa.

La Relatividad General nos dice que la geometría del Espacio está marcada por la presencia de la materia. Las grandes masas de Galaxias, estrellas y mundos, distorsionan y curvan el espacio tiempo configurando el Universo en un espacio de curvatura que ya hemos podido constatar.

El espacio tiempo se distorsiona allí donde residen objetos pesados como los planetas, las estrellas, galaxias y cualesquiera otros cuerpos masivos.

La teoría de Einstein goza de una amplia aceptación debido a los aciertos macroscópicos que han sido verificados de manera experimental. Los más recientes están referidos a los cambios de frecuencia de radiación en púlsares binarios debido a la emisión de ondas gravitacionales, que actualmente estudia Kip S. Thorne, en relación a los agujeros negros. Entre las predicciones que Einstein propugna en su teoría se encuentran, por ejemplo, la existencia de ondas gravitacionales, que el universo está en constante expansión y que, por lo tanto, tuvo un inicio: el Big Bang o los agujeros negros.

Se trata de regiones donde la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de su atracción. Estas regiones se forman por el colapso gravitatorio de estrellas masivas en la etapa final de su existencia como estrella, acabado el combustible nuclear y no pudiendo fusionar hidrógeno en helio, fusiona helio en carbono, después carbono en neón, más tarde neón en magnesio y así sucesivamente hasta llegar a elementos más complejos que no se fusionan, lo que produce la última resistencia de la estrella contra la fuerza de gravedad que trata de comprimirla, se degeneran los neutrones como último recurso hasta que, finalmente, la estrella explota en supernova lanzando al espacio las capaz exteriores de su material en un inmenso fogonazo de luz; el equilibrio queda roto, la fuerza de expansión que contrarrestaba a la fuerza de gravedad no existe, así que, sin nada que se oponga la enorme masa de la estrella supermasiva, se contrae bajo su propio peso, implosiona hacia el núcleo, se reduce más y más, su densidad aumenta hasta lo inimaginable, su fuerza gravitatoria crece y crece, hasta que se convierte en una singularidad, un lugar en el que dejan de existir el tiempo y el espacio.

Allí no queda nada, ha nacido un agujero negro y a su alrededor nace lo que se ha dado en llamar el Horizonte de Sucesos, que es una región del espacio, alrededor del agujero negro que una vez traspasada no se podrá regresar; cualquier objeto que pase esta línea mortal, será literalmente engullida por la singularidad del agujero negro. De hecho, el telescopio espacial Hubble, ha enviado imágenes captadas cerca de Sagitario X-1, en el centro de nuestra galaxia, donde reside un descomunal agujero negro que, en las fotos enviadas por el telescopio, aparece como atrapa la materia de una estrella cercana y se la engulle.

.Ondas gravitacionales que se forman a partir de los agujeros negros que, en su dinámica cotidiana y que, actualmente, estamos tratando de captar para saber de un njhuevo Universo que nos diría muchas cosas de las que ocurren a partir de fenómenos que sabemos existen pero, que hasta el momento no hemos podido “leer”.

Esta es la fuerza que se pretende unir a la Mecánica Cuántica en la teoría de supercuerdas, es decir, que Einstein con su relatividad general que nos describe el cosmos macroscópico, se pueda reunir con Max Planck y su cuanto infinitesimal del universo atómico, lo muy grande con lo muy pequeño.

La llamada gravedad cuántica trata de fundir en una sola las dos teorías físicas más soberbias con las que contamos, la relatividad general y la mecánica cuántica, que en el estado actual de nuestro conocimiento parecen incompatibles. Su estudio, ahora mismo, es en algunos aspectos análogo a la física de hace cien años, cuando se creía en los átomos, pero se ignaraban los detalles de su estructura.

Hasta el momento, Einstein se ha negado a esta reunión y parece que desea caminar solo. Las otras fuerzas están presentes en el Modelo Estándar, la gravedad no quiere estar en él, se resiste.

De hecho, cuando se ha tratadode unir la mecánica cuántica con la gravedad, aunque el planteamiento estaba muy bien formulado, el resultado siempre fue desalentador; las respuestas eran irreconocibles, sin sentido, como una explosión entre materia y antimateria, un desastre.

Sin embargo, es preciso destacar que las nuevas teorías de supersimetría, supergravedad, supercuerdas o la versión mas avanzada de la teoría M de Ed Witten, tienen algo en común: todas parten de la idea expuesta en la teoría de Kaluza-Klein de la quinta dimensión que, en realidad, se limitaba a exponer la teoría de Einstein de la relatividad general añadiendo otra dimensión en la que se incluían las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo.

Hasta hoy no se ha logrado, ni mucho menos, inventar una teoría de campo que incluya la gravedad. Se han dado grandes pasos, pero la brecha “científicounificante” es aún muy grande. El punto de partida, la base, ha sido siempre la relatividad y conceptos en ella y con ella relacionados, por la excelencia que manifiesta esa teoría para explicar la física gravitatoria cósmica. El problema que se plantea surge de la necesidad de modificar esta teoría de Einstein sin perder por ello las predicciones ya probadas de la gravedad a gran escala y resolver al mismo tiempo el problema de la gravedad cuántica en distancias cortas y de la unificación de la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza. Desde la primera década del siglo XX se han realizado intentos que buscan la solución a este problema, y que han despertado gran interés.

Después de la explosión científica que supuso la teoría de la relatividad general de Einstein que asombró al mundo, surgieron a partir e inspiradas por ella, todas esas otras teorías que antes he mencionado desde la teoría Kaluza-Klein a la teoría M.

           La materia, nosotros, la luz… el espíritu del Universo

                               Esas complejas teorías cuánticas nos quieren acercar al misterio que encierra la materia: “el Espíritu de la Luz”.

Es de enorme interés el postulado que dichas teorías expone. Es de una riqueza incalculable el grado de complejidad que se ha llegado a conseguir para desarrollar y formular matemáticamente estas nuevas teorías que, como la de Kaluza-Klein o la de supercuerdas (la una en cinco dimensiones y la otra en 10 ó 26 dimensiones) surgen de otra generalización de la relatividad general tetradimensional einsteniana que se plantea en cuatro dimensiones, tres espaciales y una temporal, y para formular las nuevas teorías se añaden más dimensiones de espacio que, aunque están enrolladas en una distancia de Planck, facilitan el espacio suficiente para incluir todas las fuerzas y todos los componentes de la materia, tratando de postularse como la Teoría de Todo.

Dimensiones enrolladas ¿En un espaciotiempo más allá del límite de Planck?

La Gran Teoría Unificada que todo lo explique es un largo sueño acariciado y buscado por muchos. El mismo Einstein se pasó los últimos treinta años de su vida buscando el Santo Grial de la teoría del todo en la física, unificadora de las fuerzas y de la materia. Desgraciadamente, en aquellos tiempos no se conocían elementos y datos descubiertos más tarde y, en tales condiciones, sin las herramientas necesarias, Einstein no podría alcanzar su sueño tan largamente buscado. Si aún viviera entre nosotros, seguro que disfrutaría con la teoría de supercuerdas o la teoría M, al ver como de ellas, sin que nadie las llame, surgen, como por encanto, sus ecuaciones de campo de la relatividad general.

 Sí, las ecuaciones de la R.G. nos hablan de muchas cosas y, algunas no han sido entendidas aún

La fuerza de la naturaleza, en el universo primitivo del Big Bang, era una sola fuerza y el estado de la materia es hoy conocido como “plasma”; las enormes temperaturas que regían no permitía la existencia de protones o neutrones, todo era como una sopa de quarks. El universo era opaco y estaba presente una simetría unificadora.

Más tarde, con la expansión, se produjo el enfriamiento gradual que finalmente produjo la rotura de la simetría reinante. Lo que era una sola fuerza se dividió en cuatro. El plasma, al perder la temperatura necesaria para conservar su estado, se trocó en quarks que formaron protones y neutrones que se unieron para formar núcleos. De la fuerza electromagnética, surgieron los electrones cargados negativamente y que, de inmediato, fueron atraídos por los protones de los núcleos, cargados positivamente; así surgieron los átomos que, a su vez, se juntaron para formar células y éstas para formar los elementos que hoy conocemos. Después se formaron las estrellas y las galaxias que sirvieron de fábrica para elementos más complejos surgidos de sus hornos nucleares hasta completar los 92 elementos naturales que conforma toda la materia conocida. Existen otros elementos que podríamos añadir a la Tabla, pero estos son artificiales como el plutonio o el einstenio.

                   Que no es un elemento natural

La materia ha evolucionado hasta límites increíbles: ¡la vida! y, aún no sabemos, lo que más allá pueda esperar.

Estos conocimientos y otros muchos que hoy posee la ciencia es el fruto de mucho trabajo, de la curiosidad innata al ser humano, del talento de algunos y del ingenio de unos pocos, todo ello después de años y años de evolución pasando los descubrimientos obtenidos de generación en generación.

¿Cómo habría podido Einstein formular su teoría de la relatividad general sin haber encontrado el Tensor métrico del matemático alemán Riemann?

¿Qué formulación del electromagnetismo habría podido hacer James C. Maxwell sin el conocimiento de los experimentos de Faraday?

La relatividad especial de Einstein, ¿habría sido posible sin Maxwell y Lorentz?

¿Qué unidades habría expuesto Planck sin los números de Stoney?

¿Empezaría todo aquí? En un punto infinito de densidad y energía donde estaba contenida toda la materia del universo. Cuesta creerlo.

Así podríamos continuar indefinidamente, partiendo incluso, del átomo de Demócrito, hace ahora más de 2.000 años. Todos los descubrimientos e inventos científicos están apoyados por ideas que surgen desde conocimientos anteriores que son ampliados por nuevas y más modernos formulaciones.

Precisamente, eso es lo que está ocurriendo ahora con la teoría M de las supercuerdas de Witten. Él se inspira en teorías anteriores que, a su vez, se derivan de la original de A. Einstein que pudo surgir, como he comentado, gracias al conocimiento que en geometría aportó Riemann con su tensor métrico.

emilio silvera

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