En 1.915, diez años después, la teoría de la relatividad general.   Al final de su trabajo relativista, Einstein concluyó que el espacio y el tiempo están distorsionados por la materia y la energía, y que esta distorsión es la responsable de la gravedad que nos mantiene en la superficie de la Tierra, la misma que mantiene unidos los planetas del Sistema Solar girando alrededor del Sol y, también la que hace posible la existencia de las Galaxias.

Nos dio un conjunto de ecuaciones a partir de los cuales se puede deducir la distorsión del tiempo y del espacio alrededor de objetos cósmicos que pueblan el Universo y que crear esta distorsión en función de su masa.  Se han cumplido 100 años desde entonces y miles de físicos han tratado de extraer las predicciones encerradas en las ecuaciones de Einstein (sin olvidar a Riemann) sobre la distorsión del espaciotiempo.

Un agujero negro es lo definitivo en distorsión espaciotemporal, según las ecuaciones de Einstein: está hacho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión.  Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión.  La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia.  Esta es la esencia del agujero negro.

Si tuviéramos un agujero negro del tamaño de la calabaza más grande del mundo, de unos 10 metros de circunferencia, entonces conociendo las leyes de la geometría de Euclides se podría esperar que su diámetro fuera de 10 m.: л = 3,14159…, o aproximadamente 3 metros.  Pero el diámetro del agujero es mucho mayor que 3 metros, quizá algo más próximo a 300 metros. ¿Cómo puede ser esto? Muy simple: las leyes de Euclides fallan en espacios muy distorsionados.

Como se hemos visto muchas veces en gráficos y esquemas, un objeto pesado o masivo colocado en el centro de la superficie elástica, se hunde a consecuencia del peso y provoca una distorsión que cambia completamente la medida original del diámetro de esa circunferencia que, al ser hundida por el peso, se agranda en función de éste.

Al espacio le ocurre igual.

De la misma manera se puede considerar que el espacio tridimensional dentro y alrededor de un agujero negro está distorsionado dentro de un espacio plano de dimensión más alta (a menudo llamado hiperespacio), igual que la lámina bidimensional está distorsionada como describo en el “dibujo” de la página anterior.

Lo más intrigante de los agujeros negros es que, si caemos en uno, no tendremos manera alguna de salir o enviar señales a los que están fuera esperándonos.  Pensemos que la masa de la Tierra que es de 5′974X10²⁴kg  (densidad de 5′52 gramos por cm³), requiere una velocidad de escape de 11′18 Km. /s., ¿Cual no será la masa y densidad de un Agujero Negro, si pensamos que, ni la luz que viaja a 299.792′458 Km. /s, puede escapar de su fuerza de gravedad?

Es tanta la densidad que no solo distorsiona el espacio, sino que también distorsiona el tiempo según las ecuaciones de Einstein: el flujo del tiempo se frena cerca del agujero, y en un punto de no retorno (llamado. El “horizonte” del agujero, o límite), el tiempo está tan fuertemente distorsionado que empieza a fluir en una dirección que normalmente sería espacial; el flujo de tiempo futuro está dirigido hacia el centro del agujero.  Nada  puede moverse hacia atrás en el tiempo*, insisten las ecuaciones de Einstein; de modo que  una vez dentro del agujero, nos veremos arrastrados irremisiblemente hacia abajo con el flujo del tiempo, hacia una “singularidad” escondida en el corazón del agujero; en ese lugar de energía y densidad infinitas, el tiempo y el espacio dejan de existir.

Como he apuntado antes, en alguna parte de este mismo trabajo, la descripción relativista del agujero negro procede de la obra de Kart Schwarzschil.   En 1.916, apenas unos meses después de que Einstein formulara sus famosas ecuaciones, Schwarzschild fue capaz de resolver exactamente las ecuaciones de Einstein y calcular el campo gravitatorio de una estrella masiva estacionaria.

La solución de Schwarzschild tiene varias características interesantes:

• En primer lugar, una línea de no retorno rodea al agujero negro: cualquier objeto que se acerque a una distancia menor que este radio será absorbido inevitablemente en el agujero.
• En segundo lugar, cualquiera que cayera dentro del radio de Schwarzschild será consciente de un “universo especular”  al “otro lado” del espacio-tiempo.

Einstein no se preocupaba por la existencia de este extraño universo especular porque la comunicación con él era imposible.  Cualquier aparato o sonda enviada al centro de un agujero negro encontraría una curvatura infinita; es decir, el campo gravitatorio sería infinito y, como ya dije antes, ni la luz podría escapar a dicha fuerza, e igualmente, las ondas de radio electromagnéticas, también estarían prisioneras en el interior de un agujero negro, con lo cual, el mensaje nunca llegará al exterior.  Allí dentro, cualquier objeto material sería literalmente pulverizado, los electrones serían separados de los átomos, e incluso los protones y los neutrones dentro de los propios núcleos serían desgajados.  Además, para penetrar en el Universo alternativo, la sonda debería ir más rápida que la velocidad de la luz, lo que no es posible; c es la velocidad límite del Universo.

Así pues, aunque este universo especular es matemáticamente necesario para dar sentido a la solución de Schwarzschild, nunca podría ser observado físicamente (al menos por el momento).

En consecuencia, el famoso puente de Einstein-Rosen que conecta estos dos universos, fue considerado un artificio matemático.

El puente de Einstein-Rosen conecta universos diferentes. Einstein creía que cualquier cohete que entrara en el puente sería aplastado, haciendo así imposible la comunicación entre estos dos universos. Sin embargo, cálculos más recientes muestran que el viaje a través del puente, aunque podría ser muy difícil, no sería imposible, existen ciertas posibilidades de que, algún día, se pudiera realizar

Posteriormente, los puentes de Einstein – Rosen se encontraron pronto en otras soluciones de las ecuaciones gravitatorias, tales como la solución de Reisner – Nordstrom que describe un agujero eléctricamente cargado.  Sin embargo, el puente de Einstein – Rosen siguió siendo una nota a pie de página curiosa pero olvidada en el saber de la relatividad.

Las cosas comenzaron a cambiar con la solución que el trabajo matemático presentado por el neozelandés Roy Kerr, presentado en 1.963 encontró otra solución exacta de las ecuaciones de Einstein.  Kerr supuso que cualquier estrella colapsante estaría en rotación.  Así pues, la solución estacionaria de Schwarzschild para un agujero negro no era la solución físicamente más relevante de las ecuaciones de Einstein.

La solución de Kerr causó sensación en el campo de la relatividad cuando fue propuesta.   El astrofísico Subrahmanyan Chandrasekhar llegó a decir:

“La  experiencia que ha dejado más huella en mi vida científica, de mas de cuarenta años, fue cuando comprendí que una solución exacta de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, descubierta por el matemático Roy Kerr,  proporciona la representación absolutamente exacta de innumerables agujeros negros masivos que pueblan el Universo.   Este estremecimiento ante lo bello, este hecho increíble de que un descubrimiento motivado por una búsqueda de la belleza en matemáticas encontrará su réplica exacta en la Naturaleza, es lo que me lleva a decir que la belleza es aquello a lo que lleva la mente Humana en su nivel más profundo”.

La solución de Kerr de un agujero negro giratorio permite que una nave espacial pase a través del centro del agujero por el eje de rotación y sobrevivir al viaje a pesar de los enormes pero finitos campos gravitorios en el centro, y seguir derecha hacia el otro Universo especular sin ser destruida por la curvatura infinita.

El Universo, como todos sabemos, abarca a todo lo que existe, incluyendo el espacio y el tiempo y, por supuesto, toda la materia esté en la forma que esté constituida.  El estudio del Universo se conoce como cosmología.  Si cuando escribimos Universo nos referimos al conjunto de todo, al cosmos en su conjunto, lo escribimos con mayúscula, el universo referido a un modelo matemático de alguna teoría física, ese se escribe con minúscula.

El Universo real está constituido en su mayoría por espacios aparentemente vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas y gas (también planetas, quásares, púlsares, cometas, estrellas enanas blancas y marrones, estrella de neutrones, agujeros negros y otros muchos objetos espaciales).  El Universo se esta expandiendo, las galaxias se alejan continuamente los unas de las otras.  Existe una evidencia creciente de que existe una materia oscura invisible, no bariónica, que puede constituir muchas veces la masa total de las Galaxias visibles.  El concepto más creíble del origen del Universo, es la teoría del Big Bang de acuerdo con la cual el Universo se creó a partir de una singularidad infinita de energía y densidad a inmensas temperaturas de millones de grados k, hace ahora unos 15.000 millones de años.

Los científicos y estudiosos del Universo han especulado mucho con la clase de Universo que nos acoge, y para ello, han realizado las más diversas teorías de universo abierto, universo cerrado, universo estacionario, universo en expansión, inflacionario, estático, oscilatorio, etc. etc. etc.  Pero, ¿Cuál tenemos?

El tipo de universo que nos acoja estaría diseñado y tendrá su final en función de la Densidad Crítica que, está referida a la “Densidad media” requerida para que la Gravedad detenga la expansión del Universo.  Un universo con una densidad muy baja se expandirá para siempre, mientras que uno con una densidad muy alta colapsará finalmente (Universo cerrado).  Sin embargo, un Universo con exactamente la densidad crítica, alrededor de 10^-29 g/cm³, es descrito por el modelo de Einstein – De Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de los otros dos extremos.  La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro Universo representa sólo el 20% del valor crítico.  Pero como antes comentamos, puede existir, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la cantidad hasta el valor crítico que es, el que parece que existe realmente.

¡Ya veremos! Si con los 10^-29 g/cm³ = 10^-5 átomos/cm³+ la materia oscura, el Universo resultante es el ideal y equilibrado para evitar el Big Crunch que, es el estado final del universo de Friedmaniano, cerrado, es decir que su densidad excede a  la Densidad Crítica, dicho Universo se expande desde el Big Bang inicial, alcanza un radio máximo, y luego colapsa hacia el Big Crunch, donde la densidad de materia se volvería infinita al confluir toda la materia del Universo en un punto de una energía, densidad y temperatura infinitas ¡Una Singularidad !

El final del Universo, sea cual fuere la Densidad crítica, nunca será bueno para la Humanidad.  El universo cerrado nos achicharrará en una enorme bola de fuego.  El universo abierto nos congelaría con el termómetro marcando el cero absoluto (-273,16 Celsius)*. ¿Qué más da el tipo de Universo que nos acoge? 

El final, si llegamos,  nos lo pondrá muy difícil.

 emilio silvera

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Tal como la revolución copernicana en la astronomía, la revolución “del campo”  en la física sería un desafío al sentido común y conduciría una vez más a los científicos pioneros a “las brumas de la paradoja”.Si Michael Faraday hubiese tenido una sólida formación matemática quizá no hubiera estado tan dispuesto a realizar su sorprendente revisión. Hijo de un herrero pobre de las afueras de Londres, Faraday tuvo que ganarse la vida desde muy niño, y se dice que en tiempos de guerra, cuando los precios eran muy altos, pasaba una semana entera con una barra de pan. Sus padres pertenecían a una reducida secta protestante escocesa fundamentalista y practicante del ascetismo que, como los cuáqueros, creía en un clero laico y se oponía a la acumulación de bienes materiales.

Faraday asistía regularmente a las reuniones dominicales y fue uno de los dirigentes de la congregación hasta el final de su vida. Los pasajes más marcados de su muy leída Biblia se hallaban en el libro de Job. Faraday prácticamente no tuvo una educación formal-“poco más que los rudimentos de lectura, escritura y aritmética que se enseñan en una escuela corriente”- pero a los trece años entró afortunadamente a trabajar en el taller de un amistoso impresor y encuadernador francés emigrado, un tal monsieur Riebau. Al principio Faraday repartía los periódicos que Riebau prestaba, y los recogía posteriormente para llevarlos a otros clientes.

Entre los libros que llegaron al taller de Riebau para ser encuadernados estaba The improvement of the Mind ( “La perfección de la mente”), del escritor de himnos Isaac Watts, cuyo sistema para el perfeccionamiento de sí mismo siguió Faraday. Llevando un diario que luego se convertiría en su famoso cuaderno de laboratorio. Un día Faraday recibió en el taller para su encuadernación un tomo de la Enciclopedia Britannica ( 3.ª ed., 1797) que contenía un artículo de 127 páginas a doble columna sobre la electricidad de un fluido y de dos fluidos, y proponía que la electricidad no era un flujo material sino un tipo de vibración, semejante a la luz y el calor. Esta atractiva sugerencia marcó el comienzo de la carrera científica de Faraday.

En 1810 Faraday comenzó a asistir a las conferencias públicas de la Sociedad Filosófica de la Ciudad, y luego a las que daba Humphry Davy en la institución Real. En diciembre de 1811 Faraday causó una favorable impresión en Davy cuando le envió las notas, escritas con una hermosa letra y cuidadosamente encuadernadas, que había tomado en las conferencias del primero, acompañadas de una solicitud para que le contratara como auxiliar. Davy había quedado temporalmente ciego en octubre de ese mismo año a causa de una explosión que había acontecido en su laboratorio y necesitaba un amanuense. Contrató a Faraday por una guinea a la semana y el uso de doa habitaciones en el último piso de la institución, con combustible, velas y batas de laboratorio incluidos, además de la libertad para utilizar los aparatos. A los veinte años, Faraday se hallaba en el laboratorio de uno de los mayores químicos de la época, y podía experimentar allí a sus anchas. ¡ Un sueño hecho realidad !.

Sir  Humphry y lady Davy completaron la educación de Faraday llevándolo con ellos en una gira por el continente europeo en 1813-1814. Visitaron Francia e Italia, conocieron a científicos y Faraday compartió las esperanzas y las dudas del parlanchín Davy. Cuando regresaron a Inglaterra en abril de 1815, Davy había inmunizado a Faraday contra las generalizaciones fáciles y había renovado su pasión por el experimento. De regreso en el laboratorio, Faraday experimentó con combustibles para calefacción y alumbrado, y finalmente descubrió el benceno. Elaboró los primeros compuestos de cloro y carbono, de los que salió el etileno, resultado de la primera reacción de sustitución conocida. Faraday también fue un pionero de la química de las aleaciones de acero. Con el tiempo se sabría que uno de los hechos cruciales de su vida fue el encargo, por parte de la Royal Society, que lo llevó a elaborar un nuevo cristal óptico “ grueso” con un alto índice de refracción especialmente útil para los experimentos con luz polarizada.

El temperamento optimista de Faraday se vio reforzado por un feliz matrimonio con la hermana de un individuo que había conocido en la Sociedad Filosófica de la Ciudad. Sarah Bernard nunca compartió los intereses científicos que hacían pasar a Faraday las noches en vela, pero decía que se sentía feliz de ser la “almohada de su mente”.

En ese mundo nuevo en que la prioridad era recompensada, los tempranos éxitos de Faraday despertaron la envidia de su famoso mentor. En 1824, cuando Faraday fue propuesto para ingresar en la Royal Society por haber logrado la licuefacción del cloro, Davy se opuso a su candidatura y afirmó que el mérito era suyo. A pesar de todo, Faraday fue elegido.

Davy se había sentido intrigado por los recientes esfuerzos teóricos para adaptar las ideas de Newton a las necesidades que experimentaba el químico en el laboratorio. El más atractivo de estos esfuerzos era la teoría del “punto central” de Boscovich, que describía el átomo no como una diminuta bola de billar de materia impenetrable, sino como un centro de fuerzas. Si las “partículas últimas” de materia tenían esta característica, se explicaría así la interacción de los elementos químicos, sus “afinidades” y los modos de formar compuestos estables.

Boscovich había limitado su atrevida sugerencia a los elementos químicos. Faraday, cuando por casualidad enfocó su pasión por el experimento sobre el poco explorado reino de la electricidad, sintió un renovado interés por la teoría de Boscovich. En 1821 un amigo solicitó a Faraday que escribiera un artículo extenso para el Philosophical Magazine explicando el electromagnetismo al público lego en la materia. En aquel momento había un gran interés por el tema, desde que el verano anterior el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851) había probado, durante una demostración realizada en una conferencia nocturna, que un alambre que condujera corriente eléctrica podía desviar una aguja magnética.

Siguiendo las ideas sugeridas por Oersted, Faraday inventó un sencillo aparato formado por dos cubetas que contenían mercurio, un alambre conductor de corriente y dos barras imantadas cilíndricas. Con esto él demostraba elegantemente la rotación electromagnética, probando que el alambre conductor rotaba alrededor del polo de un imán, y el polo de un imán hacía lo mismo en torno a un alambre conductor.

Quizá Faraday empezaba a sospechar que alrededor de un alambre conductor había líneas circulares de fuerza, y que tal vez las fuerzas del magnetismo y de la electricidad fueran convertibles. En este punto fue una suerte que Faraday no fuese un matemático refinado, pues si lo hubiese sido probablemente habría seguido el camino convencional, como el que tomó el prestigioso matemático francés André Marie Ampère (1775-1836), y hubiese tratado de explicar el electromagnetismo simplemente mediante una formulación matemática de los centros de fuerza newtonianos. Pero la ingenua mirada de Faraday percibió otra cosa.

Sin proponérselo,  Faraday ya había realizado la primera conversión de energía mecánica en energía electrica

emilio silvera

[?]

Es curiosa la similitud que se da entre la teoría del electromagnetismo y la relatividad general, mientras que Faraday experimentó y sabía los resultados, no sabía expresarlos mediante las matemáticas y, apareció Maxwell que, finalmente formuló la teoría.

Einstein, al igual que Faraday, había descubierto los principios físicos correctos, pero carecía de un formulismo matemático riguroso suficientemente potente para expresarlo (claro que Faraday no era matemático y Einstein si lo era).  Carecía de una versión de los campos de Faraday para la Gravedad.  Irónicamente, Riemann tenía el aparato matemático, pero no el principio físico guía, al contrario que Einstein.  Así que, finalmente, fue Einstein el que pudo formular la teoría con las matemáticas de Riemann.

El Físico que ganó el Nóbel por la teoría electrodébil dijo:

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

                                                                           STEVEN WEINBERG

 ¿Es la belleza un principio Físico?

La teoría de supercuerdas nos da una formulación convincente de la teoría del Universo, sin embargo, el problema fundamental radica en que una comprobación de dicha teoría, está más allá de nuestras posibilidades actuales.  De hecho, la misma teoría predice que la unificación de todas las fuerzas ocurre a la energía de Planck, o 10¹⁹ miles de millones de electronvoltios, que como sabéis, es alrededor de mil billones de veces mayor que las energías actualmente disponibles en nuestros aceleradores de partículas.

Ya he comentado otras veces que el físico David Gross (el de más edad de los miembros conocidos como el “cuarteto de cuerdas” y autores de la teoría llamada la cuerda heterótica) dijo en una ocasión: “El coste de generar esta fantástica energía, necesitaría el dinero de las tesorerías de todos los países del mundo juntos, y quizá, no llegara.  Es verdaderamente astronómico.”

Siendo así, de momento estamos condenados a no poder verificar experimentalmente este motor (parado) que haría marchar el vehículo de la Física.  La teoría decadimensional está paralizada en dos sentidos: el económico y el técnico – matemático.  El primero por falta de dinero que  nos pudiera construir aceleradores tan potentes como para descubrir la partícula de Higgs, los quarks e incluso las cuerdas vibrantes, esos previsibles y minúsculos objetos primordiales que conforman la materia.  En segundo lugar, las formulaciones matemáticas complejas que, según parece, aún no se han inventado.  Parece que hoy, ni siquiera Witten o Perelman, conocen el secreto de los números mágicos que nos puedan llevar hasta el final del camino iniciado con Einstein y Kaluza-Klein.

Particularmente opino que la teoría de cuerdas nos dará muchas alegrías y que en ella están las respuestas a muchas preguntas que no sabemos contestar.

Dentro del mundo de la Física, los hay de todas las opiniones: en contra y a favor.  Es famosa la postura detractora del Nóbel Sheldoy Glasgow de Harvard, no quiere ni oír hablar de la teoría de supercuerdas a la que califica de Física de Teatro.

Otros muchos, la mayoría, como Murray Gell-Marn, Steven Weinberg (ambos Premios Nóbel) o el mismo.  E. Witten (Medalla Field), opinan lo contrario y ven en esta teoría de dimensiones más altas el futuro de la Física.

Ya sabemos que en física toda teoría debe ser verificada, una y otra vez, en uno y en otro lugar, experimentalmente, obteniendo siempre el mismo resultado, es la única manera de que sea aceptada por la comunidad científica, mientras tanto, la teoría no es fiable y queda a la espera de ser comprobada, verificada sin ningún lugar para la duda.

Pero, ¿Se puede recrear la creación?

La teoría de supercuerdas trata de eso.  Quiere explicarnos todos los misterios del Universo a partir de ese primer momento, ¡la creación!

¿Cuántas y cuántas páginas no habré leído y escrito sobre estos temas fascinantes de los secretos del Universo, las fuerzas que lo rigen, la materia de las Galaxias y de los objetos que lo pueblan?

No podría decirlo.  Sin embargo, hay una cosa que sí puede decir: ¡Cuánto más profundizo en estas cuestiones, cuánto más conocimientos adquiero, más fascinación siento y desde luego, mi capacidad de asombro, más crece!

¡Qué lastima que no se construyera el súper colisionador superconductor! (SSC), que encontrara los vestigios subatómicos que mostrara una señal característica de la supercuerda, tal como la súpersimetría.  Aunque ni con este monstruoso SSC se hubiera podido sondear la distante energía de Planck, si podría habernos ofrecido una evidencia muy fuerte (aunque indirecta) de la corrección de la teoría de supercuerdas.

Este súper colisionador que se hubiese completado en las afueras de Dallas, Texas, hubiera contado con un tubo gigantesco de 85 km. De circunferencia rodeado de enormes bobinas magnéticas.  Lanzaría protones a velocidades muy cercanas a la de la luz que, viajarían en el sentido de las aguas del reloj y el sentido contrario, para en un momento dado, hacerlos colisionar a una energía de 40 billones de electronvoltios (TeV), generando una intensa ráfaga de residuos subatómicos analizados por detectores que, en contrarían partículas exóticas que hubieran arrojado luz sobre la forma esencial de la materia.  Los campos magnéticos para guiar los protones y los antiprotones dentro del tubo son tan excepcionalmente grandes (del orden de 100.000 veces el campo magnético de la Tierra) que, hubieran sido necesarios procedimientos extraordinarios para generarlos y mantenerlos.

Además del enfriamiento de las bobinas hasta casi el cero absoluto (-273°) y otros problemas que hubieran obligado a enormes avances tecnológicos.  Sin embargo, la política, se cargó el proyecto y nos quedamos sin la esperada partícula de Higgs que es la que genera la ruptura de simetría y es por tanto el origen de la masa de los quarks, así que, habríamos podido descubrir el origen de la masa. Sin embargo, no podemos perder la esperanza, el LHC ha venido a suplirlo y pronto, nos dará muchas alegrías, seguramente antes de que finalice el 2.010.

Me viene a la memoria que en el siglo XIX, algunos científicos declararon que la composición de las estrellas estaría siempre fuera del alcance del experimento.  En 1.825, el filósofo y crítico social francés Auguste Comte, al escribir el Curso de Filosofía, declaraba que nunca conoceríamos las estrellas de otra forma que como inalcanzables puntos de luz en el cielo debido a su enorme distancia de nosotros.  Las máquinas del siglo XIX, o de cualquier siglo, argumentaba, no eran suficientemente potentes para escapar de la Tierra y alcanzar las estrellas.

Así que parecía que el determinar la composición de las estrellas era imposible, y, lo curioso es que, casi al mismo tiempo, el físico alemán Joseph Von Fraunhofer estuviera haciendo precisamente eso.  Utilizando un prisma y un espectroscópio, pudo descomponer la luz blanca emitida desde las estrellas lejanas y determinar la composición química de dichas estrellas.

De la misma manera, pudiera, en este mismo instante, estar trabajando un físico-matemático en profundizar en la teoría de supercuerdas y estar formulando otro respetable avance hacia nuestro futuro.

¿Qué sería de nosotros sin la Física?

Tampoco los átomos eran verificables hace dos siglos, y llegaron Mach, Planck, Einstein, Heisemberg, Schrödinger, R.Feynman y tantos otros que, dejaron todo el misterio al descubierto con la Mecánica Cuántica que nos puede facilitar datos con una precisión asombrosa.

Por eso, no puedo dejar de tener esperanzas sobre esperar la confirmación experimental de la física de la décima dimensión por métodos indirectos. 

La llave: ¡nuestra imaginación!

emilio silvera

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Esta nueva teoría de supercuerdas tan prometedora del hiperespacio es un cuerpo bien definido de ecuaciones matemáticas. Podemos calcular la energía exacta necesaria para doblar el espacio y el tiempo o para cerrar agujeros de gusano que unan partes distantes de nuestro universo. Por desgracia, los resultados son desalentadores. La energía requerida excede con mucho cualquier cosa que pueda existir en nuestro planeta. De hecho, la energía es mil billones de veces mayor que la energía de nuestros mayores colisionadores de átomos. Debemos esperar siglos, o quizás milenios, hasta que nuestra civilización desarrolle la capacidad técnica de manipular el espacio-tiempo  utilizando la energía infinita que podría proporcionar un agujero negro para de esta forma poder dominar el hiperespacio que, al parecer, es la única posibilidad que tendremos para escapar del lejano fin que se avecina. ¿Que aún tardará mucho? Sí, pero el tiempo es inexorable, la debacle del frío o del fuego llegaría.

No existen dudas al respecto, la tarea es descomunal, imposible para nuestra civilización de hoy pero, ¿y la de mañana?, ¿no habrá vencido todas las barreras? Creo que el hombre es capaz de plasmar en hechos ciertos todos sus pensamientos e ideas, sólo necesita tiempo: Tiempo tenemos mucho.

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

“Quienquiera que no se sienta conmocionado por la teoría cuántica no la comprende”

Niels Bohr

Aquello fue una auténtica revolución:

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

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

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

“Universos a la deriva como burbujas en la espuma del Río del Tiempo.”

A. C. Clarke

2.  Las diferentes fuerzas son causadas por el intercambio de diferentes cuantos.

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

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

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

Ese es el principio de incertidumbre de Heisemberg, que es con mucho el aspecto más controvertido de la teoría, aunque ha resistido todos los desafíos en el laboratorio durante más de medio siglo. No hay desviación experimental conocida de esta regla.

El principio de incertidumbre significa que nunca podemos estar seguros de dónde se encuentra un electrón o cuál es su velocidad.  Lo más que podemos hacer es calcular la probabilidad de que el electrón aparezca en un cierto lugar con una cierta velocidad. La situación no es tan desesperada como uno pudiera sospechar, porque podemos calcular con rigor matemático la probabilidad de encontrar dicho electrón. Aunque el electrón es una partícula puntual, está acompañado de una onda que obedece a una ecuación bien definida, la ecuación de ondas de Schrödinger con su función de onda (y), que nos dirá con mucha probabilidad el lugar en el que aparecerá el electrón.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Las características más interesantes del Modelo Estándar es que está basado en la simetría; podemos ver su señal inequívoca dentro de cada una de estas interacciones. Los quarks y los leptones no son aleatorios, sino que se presentan en pautas definidas en el Modelo.

Este modelo de la física que explica las fuerzas que interaccionan con las partículas creadoras de materia, no incluye la fuerza de la gravedad.

El Modelo Estándar es práctico y ha sido y es una poderosa herramienta para todos los físicos, sin embargo, al no incluir la gravedad, es incompleta.  Cuando se intenta unir el Modelo Estándar con la teoría de Einstein, la teoría resultante da respuestas absurdas.

Necesitamos ya, con urgencia, una teoría cuántica de la Gravedad.

emilio silvera

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Las unidades naturales de Max Planck

La idea de Stoney fue descubierta en una forma diferente por el físico alemán Max Planck en 1.899, un año antes de que expusiera al mundo su teoría del “cuanto de acción” h.

Planck es uno de los físicos más importantes de todos los tiempos.  Como antes he apuntado, descubrió la naturaleza cuántica de la energía que puso en marcha la revolución cuántica de nuestra comprensión del mundo, ofreció la primera descripción correcta de la radiación térmica (“espectro de Planck”) y una de las constantes fundamentales de la naturaleza lleva su nombre.

Ganador del premio Nobel de Física de 1.918, también fue, en el primer momento, el único que comprendió la importancia que, para la física y para el mundo, tendría el artículo del joven Einstein, en 1.905, sobre la teoría de la relatividad especial.  Hombre tranquilo y modesto que fue profundamente admirado por sus contemporáneos más jóvenes, como el mismo Einstein y Bohr.

La concepción que tenía Planck de la naturaleza ponía mucho énfasis en su racionalidad intrínseca y en su independencia del pensamiento humano. Había que encontrar esas estructuras profundas que estaban lejos de las necesidades de la utilidad y conveniencia humanas pero que, en realidad, estaban ahí ocultas en lo más profundo de los secretos naturales y eran las responsables de que nuestro mundo, nuestro universo, fuese tal como lo conocemos.

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