Algo más sobre Física

La Naturaleza juega con el paso del Tiempo para cambiar las cosas utilizando herramientas como la Temperatura y otras fuentes de energía. En el agua, tenemos un ejemplo cercano y cotidiano de esos cambios que se producen merced a diversas circunstancias. Así, podemos constatar que, en la Naturaleza, nada permanece para siempre, todo cambia y se transforma en algo diferente a lo que fue.

Las transiciones de fase no son nada nuevo. Trasladémoslo a nuestras propias vidas. En un libro llamado Pasajes, el autor, Gail Sheehy, destaca que la vida no es un flujo continuo de experiencias, como parece, sino que realmente pasa por varios estadios, caracterizados por conflictos específicos que debemos resolver y por objetivos que debemos cumplir.

 

“Comienzo de Trabajos y días (folio 3Av/4Ar).  Trabajos y días (en griego antiguo Ἔργα καὶ Ἡμέραι, referida a veces por el nombre latino Opera et Dies) es un poema de unos 800 versos escrito por Hesíodo en torno al 700 a. C. La obra está compuesta a partir de géneros poéticos preexistentes que la tradición oral griega había incorporado del mundo oriental: sobre todo, variantes del “catálogo” (cuyo ejemplo homérico es el canto II de la Ilíada): los “calendarios” y los “días”; y de colecciones de consejos, instrucciones y proverbios (como el Ahikar asirio)”

Todo, hasta la acción y los pensamientos del hombre a lo largo de la Historia son cambiantes.

Sí, todo cambia con el paso del Tiempo, los pensamientos también

Lo cierto es que, a lo largo de toda nuestra vida estamos experimentando cambios de fase que se producen hasta en la manera de pensar, de ver las cosas y el mundo que nos rodea. Nosotros, al igual que todo en el Universo, somos objeto de cambios continuados que se están produciendo desde nuestro nacimiento hasta nuestro final.

El psicólogo Eric Ericsson llegó a proponer una teoría de estadios psicológicos del desarrollo. Un conflicto fundamental caracteriza cada fase. Si este conflicto no queda resuelto, puede enconarse e incluso provocar una regresión a un periodo anterior. Análogamente, el psicólogo Jean Piaget demostró que el desarrollo mental de la primera infancia tampoco es un desarrollo continuo de aprendizaje, sino que está realmente caracterizado por estadios discontinuos en la capacidad de conceptualización de un niño. Un mes, un niño puede dejar de buscar una pelota una vez que ha rodado fuera de su campo de visión, sin comprender que la pelota existe aunque no la vea. Al mes siguiente, esto resultará obvio para el niño.

Todo comienza siendo de una manera y, con el paso del Tiempo, termina siendo otra

Esta es la esencia de la dialéctica. Según esta filosofía, todos los objetos (personas, gases, estrellas, el propio universo) pasan por una serie de estadios. Cada estadio está caracterizado por un conflicto entre dos fuerzas opuestas. La naturaleza de dicho conflicto determina, de hecho, la naturaleza del estadio. Cuando el conflicto se resuelve, el objeto pasa a un objetivo o estadio superior, llamado síntesis, donde empieza una nueva contradicción, y el proceso pasa de nuevo a un nivel superior.

Los filósofos llaman a esto transición de la “cantidad” a la “cualidad”.  Pequeños cambios cuantitativos se acumulan hasta que, eventualmente, se produce una ruptura cualitativa con el pasado. Esta teoría se aplica también a las sociedades o culturas. Las tensiones en una sociedad pueden crecer espectacularmente, como la hicieron en Francia a finales del siglo XVIII. Los campesinos se enfrenaban al hambre, se produjeron motines espontáneos y la aristocracia se retiró a sus fortalezas. Cuando las tensiones alcanzaron su punto de ruptura, ocurrió una transición de fase de lo cuantitativo a los cualitativo: los campesinos tomaron las armas, tomaron París y asaltaron la Bastilla.

                                    Las tensiones terminan por romperlo todo. Nada aguanta de manera indefinida

Las transiciones de fases pueden ser también asuntos bastante explosivos. Por ejemplo, pensemos en un río que ha sido represado. Tras la presa se forma rápidamente un embalse con agua a enorme presión. Puesto que es inestable, el embalse está en el falso vacío. El agua preferiría estar en su verdadero vacío, significando esto que preferiría reventar la presa y correr aguas abajo, hacia un estado de menor energía. Así pues, una transición de fase implicaría un estallido de la presa, que tendría consecuencias desastrosas.

También podría poner aquí el ejemplo más explosivo de una bomba atómica, donde el falso vacío corresponde al núcleo inestable de uranio donde residen atrapadas enormes energías explosivas que son un millón de veces más poderosas, para masas iguales, que para un explosivo químico.  De vez en cuando, el núcleo pasa por efecto túnel a un estado más bajo, lo que significa que el núcleo se rompe espontáneamente. Esto se denomina desintegración radiactiva. Sin embargo, disparando neutrones contra los núcleos de uranio, es posible liberar de golpe esta energía encerrada según la formula de Einstein E = mc². Por supuesto, dicha liberación es una explosión atómica; ¡menuda transición de fase!

La bomba de uranio es más simple que la de plutonio y funciona cuando a una masa de uranio que aún no ha alcanzado el punto crítico de reacción en cadena descontrolada, se le añade una cantidad del mismo elemento para alcanzar esa masa crítica con la capacidad de fisionarse por sí sola. De forma simultánea, a esa masa se le agregan más elementos que potencian la creación de neutrones libres. Esto produce una aceleración de la velocidad de la reacción en cadena, resultando en la destrucción del área que rodea el dispositivo debido a la onda de choque creada por la liberación de los neutrones.

Las nuevas características descubiertas por los científicos en las transiciones de fases es que normalmente van acompañadas de una ruptura de simetría. Al premio Nobel Abdus Salam le gusta la ilustración siguiente: consideremos una mesa de banquete circular, donde todos los comensales están sentados con una copa de champán a cada lado. Aquí existe simetría. Mirando la mesa del banquete reflejada en un espejo, vemos lo mismo: cada comensal sentado en torno a la mesa, con copas de champán a cada lado.  Asimismo, podemos girar la mesa de banquete circular y la disposición sigue siendo la misma.

Rompamos ahora la simetría. Supongamos ahora que el primer comensal toma la copa que hay a su derecha. Siguiendo la pauta, todos los demás comensales tomaran la copa de champán de su derecha. Nótese que la imagen de la mesa del banquete vista en el espejo produce la situación opuesta.  Cada comensal ha tomado la copa izquierda. De este modo, la simetría izquierda-derecha se ha roto.

Así pues, el estado de máxima simetría es con frecuencia también un estado inestable, y por lo tanto corresponde a un falso vacío.

No os equivoquéis, lo que llaman “Vacío de Bootes” que también es un falso “vacío” de inmensas dimensiones. El vacío absoluto no existe, siempre hay. ¿Cómo vamos a pretender que este “vacío” de 330 millones de años luz no cont4enga nada?

Cuando hablamos de falso vacío lo hacemos del estado en teoría cuántica de campos que es un mínimo local, pero no un estado de energía mínima del sistema en su totalidad (lo que se denomina el verdadero vacío). Tarde o temprano ocurrirá un efecto túnel desde el falso vacío al vacío verdadero, que puede ser calculado por técnicas de instantón. El falso vacñio no ha sido nunca observado, pero se predice que existe en varias teorías cuánticas de campo de relevancia para el estudio de las partículas elementales, incluyendo las teorías de gran unificación. En particular, ha sido sugerido que el falso vacío puede ser el responsable de la expansión del universo inflacionario, que pudo haber sido importante en el universo primitivo.

      Solo podemos ver tres dimensiones y sentir la cuarta

Con respecto a la teoría de supercuerdas, los físicos suponen (aunque todavía no lo puedan demostrar) que el universo deca-dimensional original era inestable y pasó por efecto túnel a un universo de cuatro y otro de seis dimensiones. Así pues, el universo original estaba en un estado de falso vacío, el estado de máxima simetría, mientras que hoy estamos en el estado roto del verdadero vacío.

Lo cierto es que, por mucho que nos esforzamos mentalmente para “ver” ese universo de más dimensiones… ¡No conseguimos verlo!

Al principio, cuando el universo era simétrico, sólo existía una sola fuerza que unificaba a todas las que ahora conocemos, la gravedad, las fuerzas electromagnéticas y las nucleares débil y fuerte, todas emergían de aquel plasma opaco de alta energía que lo inundaba todo. Más tarde, cuando el universo comenzó a enfriarse, se hizo transparente y apareció la luz, las fuerzas se separaron en las cuatro conocidas, emergieron las primeras quarks para unirse y formar protones y neutrones, los primeros núcleos aparecieron para atraer a los electrones que formaron aquellos primeros átomos.  Doscientos millones de años más tarde, se formaron las primeras estrellas y galaxias. Con el paso del tiempo, las estrellas sintetizaron los elementos pesados de nuestros cuerpos, fabricados en supernovas que estallaron, incluso antes de que se formase el Sol. Podemos decir, sin temor a equivocarnos, que una supernova anónima explotó hace miles de millones de años y sembró la nube de gas que dio lugar a nuestro sistema solar, poniendo allí los materiales complejos y necesarios para que algunos miles de millones de años más tarde, tras la evolución, apareciéramos nosotros.

Las estrellas evolucionan desde que en su núcleo se comienza a fusionar hidrógeno en helio, de los elementos más ligeros a los más pesados.  Avanza creando en el horno termonuclear, cada vez, metales y elementos más pesados. Cuando llega al hierro y explosiona en la forma explosiva de  una supernova. Luego, cuando este material estelar es otra vez recogido en una nueva estrella rica en hidrógeno, al ser de segunda generación (como nuestro Sol), comienza de nuevo el proceso de fusión llevando consigo materiales complejos de aquella supernova.

Puesto que el peso promedio de los protones en los productos de fisión, como el cesio y el kriptón, es menor que el peso promedio de los protones de uranio, el exceso de masa se ha transformado en energía mediante E = mc². Esta es la fuente de energía que subyace en las explosiones atómicas.

       El tiempo con ayuda de la entropía, lo transforma todo. Hoy es, mañana no es

Así pues, la curva de energía de enlace no sólo explica el nacimiento y muerte de las estrellas y la creación de elementos complejos que también hicieron posible que nosotros estemos ahora aquí y, muy posiblemente, será también el factor determinante para que, lejos de aquí, en otros sistemas solares a muchos años luz de distancia, puedan florecer otras especies inteligentes que, al igual que la especie humana, se pregunten por su origen y estudien los fenómenos de las fuerzas fundamentales del universo, los componentes de la materia y, como nosotros, se interesen por el destino que nos espera en el futuro.

Cuando alguien oye por vez primera la historia de la vida de las estrellas, generalmente (lo sé por experiencia), no dice nada, pero su rostro refleja escepticismo. ¿Cómo puede vivir una estrella 10.000 millones de años? Después de todo, nadie ha vivido tanto tiempo como para ser testigo de su evolución.

El Sol se convertirá en Gigante Roja y engullirá Mercurio y Venus, la Tierra quedará arrasada

Sin embargo, tenemos los medios técnicos y científicos para saber la edad que tiene, por ejemplo, el Sol. Y, como podemos contemplar en la imagen de arriba, sabemos de los cambios que se avecinan. Dentro de unos cinco mil millones de años, cuando se agote el combustible nuclear de fusión, el Sol se convertirá en una gigante roja que crecerá más y más hasta alcanzar 1 UA (ciento cincuenta millones de kilómetros) y, engullirá a los planetas Mercurio y Venus y, nuestra querida Tierra, quedará literalmente arrasada por las terroríficas temperaturas de los vientos solares que evaporarán los océanos y hará imposible ninguna clase de vida sobre el planeta.

Nuestro Sol, la estrella alrededor de la que giran todos los planetas de nuestro Sistema Solar es la estrella más cercana a la Tierra (150 millones de Km = 1 UA), con un diámetro de 1.392.530 Km, tiene una edad de 4.500 millones de años y, aunque fusiona 4.654.600 Tn de Hidrógeno en Helio cada segundo, aún le quedan otros cinco mil millones de años de vida.

                       El Universo como una burbuja dentro de la cual está, ¡todo lo que existe!

El Universo siempre nos parece inmenso, y, al principio, aquellos pensadores que estuvieron aquí antes que jnosotros y que empezaron a preguntarse cómo sería, lo imaginaron como una esfera cristalina que dentro contenía unos pocos mundos y algunas estrellas, hoy, hemos llegado a saber un poco más sobre él. Sin embargo, dentro de unos cuantos siglos, los que detrás de nosotros llegarán, hablarán de universos en plural, y, cuando pasen algunos eones, estaremos de visita de un universo a otro como ahora vamos de una ciudad a otra.

¡Más transiciones de fase! Ahora de evolución del el conocimiento. ¡Quién pudiera estar allí! En ese futuro en el que, realmente y si nada lo remedia, nos podremos llamar “Señores del Espacio” “Descubridores de Mundos” “Habitantes del Universo”…

¡Sería bonito ser testigo de todo eso!

¡Qué bonito es saber, a mí me gustaría!

Emilio Silvera V.

 « ¿La materia? No es fácil llegar a entenderla

A finales de los años 70, los físicos de partículas decidieron acudir a los seminarios de cosmología para escuchar los que los cosmólogos tenían que decir sobre las galaxias y los quásar y, los cosmólogos (para no ser menor), alquilaron máquinas del CERN y el FERMILAB para trabajar en física de de altas energías en instalaciones subterráneas desde donde no se podían ver las estrellas.

Cuanto más pequeño es el objeto que se busca, mayores serán las energías necesarias utilizadas, Precisamente por eso (creo), no ha aparecido el esquivo Gravitón. La Gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales y, en relación a eso, también su Bosón mensajero lo será.

Los experimentos que se producen en tan descomunales máquinas, llevan sus resultados hasta las pantallas de los ordenadores provistos de programas bien elaborados que recogen todos y cada uno de los sucesos del acontecimiento allí ocurrido cuando dos haces de muones, por ejemplo, chocan lanzados en direcciones opuestas a velocidades cercanas a la de la luz, y, en el choque, las partículas dan lugar a otras más elementales que están ocultas en el corazón de la materia y, con esta fórmula de altas energías, pueden salir a la luz para que las podamos conocer.

“La Física de partículas elementales y el estudio del Universo primitivo, las dos ramas fundamentales de la ciencia de la Naturaleza, se habían fundido esencialmente.” Declaró Gell-Mann, cuando físicos y cosmólogos unieron sus conocimientos para saber sobre el todo desde lo puy pequeño hasta lo muy grande: El átomo y la Galaxia.

Encierran y tienen tantos secretos las galaxias que, existen multitud de familias, de formas y colores, y, todas ellas, son portadoras de la esencia del Universo, las galaxias, son retazos del Universo en las que están presentes todos los elementos y objetos que son son, también allí residen las fuerzas y las constantes y, para que no falte de nada, podríamos suponer que también, está la vida presente.

El Modelo que buscaron físicos y cosmólogos fue el Big Bang. Loa físicos habían identificaron simetrías en la Naturaleza que hoy están rotas pero que estuvieron intactas en el entorno de las inmensas energías, en el entorno de aquellos primeros momentos en los que se cree nació el universo. Los cosmólogos informaron de que el universo estuvo entonces en tal estado de alta energía, durante las etapas iniciales del big bang. Unidas ambas cosas, aparece el cuadro de un universo perfectamente simétrico y cuyas simetrías se quebraron a medida que se expandió y se enfrió, creando las partículas de materia y energía que encontramos hoy a nuestro alrededor y estampándoles las pruebas de su genealogía.

En el Modelo Estándar,  la ruptura espontánea de simetría se complementa por el uso del bosón de Higgs, que es responsable de las masas de los bosones W y Z.  Todo esto puede verse de forma más técnica en la interacción de Yucawa donde se muestra cómo obtienen masa los fermiones  mediante la ruptura de simetría. Este mecanismo se aplica al caso de una ruptura de simetría gauge local local.

                                      El toro es un ejemplo de grupo de Lie homeomorfo a .

En física la ruptura espontánea de la simetría ocurre cuando un sistema definido por una lagrangiana simétrica respecto a un grupo de simetría  cae en un estado vacío que no es simétrico.  Cuando eso sucede el sistema no se comporta más de forma simétrica.

El grupo de simetría puede ser discreto como el grupo espacial  de un cristal, o continuo como un grupo de Lie,  como la simetría rotacional del espacio. Sin embargo, si el sistema solo tiene una dimensión espacial entonces solo las simetrías discretas pueden romperse en un estado vacío de la teoría cuántica, aunque también una solución clásica puede romper una simetría continua.

La ruptura de la simetría conlleva la aparición de nuevas partículas (asociados a nuevos términos de masas en el nuevo lagrangiano como los bosones de Nambu-Goldstone  o los bosones de Higss) y la aparición de términos de masas de partículas ya existentes en el lagrangiano. Claro que la teoría electrodébil se describió por Steven Weinberg unificada en términos de su relación con el universo primitivo.

Lo que resulta tan especial en la Teoría electrodébil  es que las partículas (portadoras de la fuerza) forman una familia estrechamente unida, con cuatro miembros: la W⁺, la W^– , la Z neutra, y el cuarto miembro es nuestro viejo amigo el Fotón, portador del electromagnetismo. Son todas hermanas, estrechamente relacionadas por el principio de simetría que nos dice que son, todas las misma cosa pero, que la simetría se ha roto. La simetría está allí, en las ecuaciones subyacentes de la teoría, pero no es evidente en las partículas mismas. Por eso las W y la Z son mucho más pesadas que el fotón.

                           El Universo temprano

Hubo un tiempo, en el universo temprano, en que la temperatura estaba por encima de algunos cientos de veces de la masa del protón, cuando la simetría aún no se había roto, y la fuerza débil y la electromagnética, no sólo eran la misma matemáticamente, sino realmente la misma. Un físico que hubiera podido estar allí por aquel entonces, lo que no es fácil de imaginar, no habría contemplado ninguna diferencia real entre las fuerzas producidas por el intercambio de estas cuatro partículas: las W, la Z y el Fotón.

De la misma manera, aunque menos clara, las nacientes teorías es la supersimetría conjeturan que las cuatro fuerzas tal vez estaban ligadas por una simetría que se manifestaba en aquellos niveles de energías aún mayores que caracterizaban al universo incluso ya antes del Big Bang.

La introducción de un eje de tiempo histórico en la cosmología y la física de partículas, benefició a ambos campos. Los físicos proporcionaron a los cosmólogos una serie de herramientas útiles para saber como se desarrolló el universo. Evidentemente, el Big Bang no fue la muralla de fuego de la que se burló Hoyle, sino un ámbito de sucesos de altas energías que muy posiblemente pueden ser comprensibles en términos de la teoría de campo relativista y cuántica.

La cosmología por su parte, le dio un tinte de realidad histórica a las teorías unificadas. Aunque ningún Acelerador concebible podría alcanzar las titánicas energías supuestas por las grandes teorías unificadas y la supersimetría, esas exóticas ideas aún pueden ser puestas a prueba, investigando su las partículas constituyentes del universo actual son compatibles con el tipo de historia primitiva que implican las teorías.

“Las partículas elementales aparentemente proporcionan la clave de algunos de los misterios fundamentales de la cosmología temprana… y, resulta que la cosmología nos brinda una especie de terreno de prueba para alguna de las ideas de la física de partículas elementales.”

A pesar de todo, de lo mucho que hemos avanzado y de los descubrimientos ciertos que se han podido conquistar y que están debidamente contrastados una y mil veces para estar seguros de que, todo eso es así. A pesar de ello, digo, no creo que aún sepamos, a ciencia cierta, lo que las fuerzas son, y, nos quedan algunos flecos que añadir a “ese traje” para que, la niña (en este caso la Naturaleza), se nos pueda mostrar con toda su belleza y esplendor.

¿Qué son las fuerzas?

Sí, más o menos, aunque con ciertas carencias y faltas de completitud, podemos dar una idea de lo que las fuerzas son y, para andar por casa, podría ser una explicación suficiente pero, si queremos dar un paseo más largo, y llegar hasta los confines de la Galaxia, entonces, no podemos confiar en esta exigua explicación a la que, como antes decía, le faltan esos flecos que la adornan y completan y las acercarían a nuestra total comprensión.

Sabemos del nacimiento de las estrellas, la acumulación de estas en galaxias, que a la vez se agrupan en cúmulos y por si fuera poco,  esparciéndose en forma uniforme mientras el Universo sigue  y sigue expandiéndose. La formación de nebulosas en todas partes, de ellas las nacientes estrellas, blancas, azules, rojas y amarillas, y a su alrededor la formación de planetas. Todo un ciclo que se repite y se repite por miles de millones de años, entregándonos un formato claro y que podemos aventurarnos a predecir sin temor a fallar y, sabemos que, todo eso es posible gracias a que, las cuatro fuerzas fundamentales del universo están presentes y, el ritmo que imponen, hacen posible que las cosas sean tal como las podemos contemplar.

Quarks que se unen para formar nucleones, estos que conforman los núcleos, la llegada de los electrones atraídos por la carga eléctrica positiva de los núcleos hacen que se formen los átomos del universo que, unidos forman moléculas que, a su vez, se unen para formar cuerpos como las estrellas y los mundos que las rodean, grupos de estrellas que dan lugar a enormes galaxias y estas, reunidas, forman cúmulos que son las estructuras más grandes del universo y, todo ello, es posible gracias a esas fuerzas y a esas “insignificantes” partículas que conforman la materia.

Ahí los tenéis y aunque pueda parecer sencillo, el lidiar con estas tres familias de partículas que son, en realidad las que conforman todo lo que existe en el mundo (entendiéndose por el mundo el universo entero), no es fácil y de ellas, surgen muchas implicaciones, algunas que no hemos podido llegar a entender aunque, en honor a la verdad tendremos que decir que, en lo más básico, podemos formular hipótesis y teorías que las implican y que están acordes con la realidad observada en el laboratorio experimental. Sin embargo, muchos son, todavía, los secretos que nos esconden y al que nuestro intelecto no ha podido llegar aún. Sin embargo, si nos dan más tiempo, todo llegará.

Y, a todo esto, no debemos olvidar que, aparte de las propiedades que dichas partículas pueden tener de manera individual, todas tienen que convivir con las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza que, de alguna manera, inciden en ellas de mil maneras diferentes.

No sólo toda la materia del Universo, nosotros también, supeditamos nuestros comportamientos a lo que rige la norma que establen esas cuatro fuerzas fundamentales del Universo que, junto con las constantes universales, hacen de nuestro universo lo que es y permite, que la vida esté presente para observar todas estas maravillas.

Ayer por la tarde (como hago tantas veces por estas fechas si el tiempo lo permite), acompañado de mi inseparable esposa, me di una vueltecita por todos estos parajes y, nos paramos en un “chiringuito” situado en un lugar apartado. Ella, mi mujer, después de tomarnos un café, se marcha un rato a la playa a tomar un baño y echarse en la fina arena a tomar el Sol, y, mientras tanto, saco mi libreta (que siempre me acompaña) y, mirando ese inmenso horizonte escribo de todo esto que antes habéis podido leer.

Realmente, cuando te acercas a la Naturaleza, las cosas se ven diferentes, te sientes más cerca de lo verdadero y puedes llegar a comprender algunas cosas,  la simbiosis del momento te acercan a la comprensión. Recordé que desde estos mismos lugares partío Colón para “las Américas” lo que después llamamos el nuevo mundo, y, aunque él creía que se dirigía a otro lugar, el descrito por Marco Polo, el hombre llegó a ese nuevo Mundo que ahora (a pesar de todo lo que hicimos -bueno y malo-), lo sentimos hermano.

Lo cierto es que allí quedan muchas pruebas de lo que se hizo, y, grandes edificaciones y universidades, pruebas documentales de que a todos aquellos pueblos  se les concedió la naturaleza humana y de igualdad cono los descubridores, los casamientos entre las diferentes razas eran legales, y, de hecho, aún siguen hablando el mismo idioma más de 700 millones de personas.

Emilio Silvera V.