¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz?

Para contestar esta pregunta hay que advertir al lector que la energía suministrada a un cuerpo puede influir sobre él de distintas maneras. Si un martillo golpea a un clavo en medio del aire, el clavo sale despedido y gana energía cinética o, dicho de otra manera, energía de movimiento. Si el martillo golpea sobre un clavo, cuya punta está apoyada en una madera dura e incapaz de moverse, el clavo seguirá ganando energía, pero esta vez en forma de calor por rozamiento al ser introducido a la fuerza dentro de la madera.

Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial que la masa cabía contemplarla como una forma de energía (E = mc², la bomba atómica lo confirmó). Al añadir energía a un cuerpo, esa energía puede aparecer en la forma de masa o bien en otra serie de formas.

En condiciones ordinarias, la ganancia de energía en forma de masa es tan increiblemente pequeña que sería imposible medirla. Fue en el siglo XX (al observar partículas subatómicas que, en los grandes aceleradores de partículas, se movían a velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo) cuando se empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente grandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a unos 260.000 Km por segundo respecto a nosotros mostraría una masa dos veces mayor que cuando estaba en reposo (siempre respecto a nosotros).

La estructura de los átomos y las moléculas está controlada casi por completo por dos números: la razón entre las masas del electrón y el protón, b, que es aproximadamente igual a 1/1.836, y la constante de estructura fina, a, que es aproximadamente 1/137. Supongamos que permitimos que estas dos constantes cambien su valor de forma independiente y supongamos también (para hacerlo sencillo) que ninguna otra constante de la Naturaleza cambie. ¿Qué le sucede al mundo si las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas?

Si deducimos las consecuencias pronto encontramos que no hay muchos espacios para maniobrar. Incrementemos b demasiado y no puede haber estructuras moleculares ordenadas porque es el pequeño valor de beta el que asegura que los electrones ocupen posiciones bien definidas alrededor de un núcleo atómico y las cargas negativas de los electrones igualan las cargas positivas de los protones haciendo estable el núcleo y el átomo.

Si en lugar de a versión b, jugamos a cambiar la intensidad de la fuerza nuclear fuerte a_F, junto con la de a, entonces, a menos que  a_F > 0,3 a^½, los elementos como el carbono no existirían.

No podrían existir químicos orgánicos, no podrían mantenerse unidos. Si aumentamos a_F en solo un 4 por 100, aparece un desastre potencial porque ahora puede existir un nuevo núcleo de helio, el helio-2, hecho de 2 protones y ningún neutrón, que permite reacciones nucleares directas y más rápidas que de protón + protón →  helio-2.

Hay que entender que el espacio-tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del Universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo.

De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar.

El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como los son las posiciones en el espacio (enclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio-tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio-tiempo se denomina por el nombre de línea de Universo. La relatividad general, nos explica lo que es un espacio-tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.

La curvatura del espacio tiempo es la propiedad del espacio-tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos. La relatividad general de Einstein, nos explica y demuestra que el espacio-tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el Universo y, nos dice que, el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o Galaxias ( entre otros ).

En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Enclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180°. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran. Esto es en esencia, lo que ocurre en relatividad general.

EL LHC: El Sistema de vacío más grande del mundo.

Cuando el 10 de septiembre de 2008, se puso en servicio en el CERN, el Gran Colisionador de Hadrones, el LHC, un acelerador de partículas gigante salido de la imaginación de los físicos de partículas de altas energías, se inicio el mas ambicioso experimento en el campo de la Física de Partículas de Alta Energía. Se espera que conduzca al descubrimiento del pronosticado Boson de Higgs o podría desvelar nuevas físicas más allá del Modelo Estándar.

Con sus 26,7 Km de longitud, el LHC tiene el sistema de vació mas grande del mundo operando en una extensa gama de presiones y utilizando una impresionante variedad de tecnologías de vació, algunas de las cuales fueron puestas a punto en el CERN. Este sistema es fundamental para los aceleradores ya que, evidentemente, sin vació, las partículas no podrían sobrevivir ni los detectores funcionar.

Instalado en el túnel subterráneo (entre -80 y -140 m) del antiguo LEP (gran colisionador de electrones y positrones) y a caballo sobre la frontera franco-suiza a menos de 15 kilómetros de la ciudad de Ginebra, el LHC esta compuesto por un doble anillo de almacenamiento de partículas. Cada anillo transporta un haz de hadrones de 7 TeV de energía que circulan en direcciones opuestas, colisionando en cuatro gigantescos experimentos. Los dos haces de hadrones están dirigidos y enfocados por centenares de imanes superconductores, enfriados a una temperatura de 1.9 K (-271.25ºC) utilizando helio superfluito. Un vació de aislamiento permite reducir los intercambios térmicos entre imanes criogénicos y el criostato a la temperatura ambiente.

Comparado con un acelerador lineal, un colisionador de partículas como el LHC tiene exigencias para el vació del haz de partículas mas importantes. En el LHC, las partículas del haz viajan a una velocidad muy próxima a la velocidad de la luz (300.000 Km/s) y completan ¡más de 11.000 revoluciones del anillo por segundo! Por diseño, cada ciclo (inyección, colisiones entre haces, extracción de los haces) de Física durara 10 horas durante las cuales el vació residual tendrá que tener un impacto de incidencia mínima sobre los haces. Tal requisito requiere una vida de las partículas que tienen que exceder de 100 horas, lo que implica que las partículas viajen durante 4 billones de de revoluciones del LHC, equivalentes ¡a 280.000 viajes a la Luna! (384000 Km) sin colisionar con los átomos o moléculas del vació residual.

Pérdida de información en los agujeros negros

Se dice que un agujero negro (una masa M concentrada en un volumen menor que el dictado por su radio de Schwarzschild r_s = 2GM/c²) absorbe todo lo que cae sobre él. Sin embargo, Beckenstein y Hawking determinaron que el agujero negro posee entropía (proporcional al área del horizonte) y por ello temperatura, y Hawking concluye (1975) que la temperatura le hace radiar como un cuerpo negro; por tanto, eventualmente el agujero se evapora.

Aquí viene la paradoja. Si formamos el agujero negro arrojando materia en forma concreta (por ejemplo, un camión), la masa del camión acabaría eventualmente escupida como radiación del cuerpo negro, perdiéndose la preciosa información sobre el camión. Pero se supone que la evolución de “todo” es cuántica, y por ello unitaria. Ahora bien, la evolución unitaria mantiene la información (estados puros van a estados puros, no mezcla…); he ahí la paradoja.

Fue Hawking quien primero presentó la paradoja de “pérdida de información” en contra de otros que, como Gerard’t Hooft y Susskind, quienes mantienen que la información no se puede perder, y que por ello debe haber sutiles correlaciones en la radiación emitida, de las que en principio sería posible extraer la información original sobre que el agujero negro tragó un camión…