¿Cómo pudo surgir la Vida? ¡Es todo tan complejo!

Debajo de ésta imagen se puede leer:

“Hallan indicios de materia oscura unida al Cosmos. La evidencia muestra nuevos fenómenos físicos que podrían ser la extraña y desconocida materia oscura o la energía que se origina de los pulsares. Un detector de rayos cósmicos de dos mil millones de dólares en la Estación Espacial Internacional halló la huella de algo que pudiera ser la materia oscura, la misteriosa sustancia que se cree mantiene unido al cosmos.”

“Pero los primeros resultados del Espectrómetro Magnético Alfa (AMS, por sus siglas en inglés) son casi tan enigmáticos como la materia oscuraen sí, la cual nunca ha sido observada directamente. Muestran evidencia de nuevos fenómenos físicos que podrían ser la extraña y desconocida materia oscura o la energía que se origina de los pulsares, anunciaron un miércoles científicos en el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra.”

Como no me canso de repetir, cualquiera de estas noticias nos vienen a decir que, de la “materia oscura”, nada sabemos. Sería conveniente, para que las cuentas cuadren, que exista esa dichosa clase de materia o lo que pueda ser, toda vez que, sin ella, no resulta fácil llegar a una conclusión lógica de cómo se pudieron formar las galaxias, o, de por qué se mueven las estrellas de la manera que lo hacen.

hace treinta años, los astrofísicos se enfrentan a este dilema: o bien las galaxias tienen mucha materia que no vemos, pero que causa una fuerte atracción gravitatoria sobre las estrellas externas (que por ello orbitarían tan rápido) o bien ni la ley de la gravedad de Newton ni la de Einstein serían válidas esas regiones externas de las galaxias. Las dos opciones son revolucionarias para la física: la primera implica la existencia de materia oscura en el universo (materia que no vemos pero que sí afecta al movimiento de las estrellas y galaxias), y la segunda implica que una ley básica (la de Newton/Einstein de la gravitación) es incorrecta.

En el momento actual, no sabemos cual de esas dos opciones es la buena (podrían incluso ser buenas las dos, es decir, que existiera materia oscura y además que la teoría de Newton/Einstein estuviera mal. No creo que sea ese el problema, debe haber una tercera opción desconocida que debemos encontrar). La gran mayoría de los astrofísicos prefieren explicarlo con la materia oscura (un camino cómodo y fácil) antes que dudar de las leyes de la gravitación de Newton/Einstein. Esto no es sólo cuestión de gustos, es que las leyes de la gravitación funcionan con una increíble exactitud en todos los demás casos donde las hemos puesto a prueba (en los laboratorios, en las naves espaciales y los interplanetarios, en la dinámica del Sistema Solar, etc.).

El problema de la materia oscura (si es que realmente existe y no es que las leyes de Newton/Einstein sean incompletas) es uno de los más importantes con los que se enfrenta la astrofísica hoy en día.

Cuando pienso en la existencia ineludible de esa “materia cósmica” primigenia, la primera y más sencilla clase de materia que se formó en las primeras fracciones del primer segundo del big bang, en la mente se me aparece una imagen llena de belleza creadora a partir de la cual, todo lo que ahora podemos contemplar es posible. La belleza de la idea es que toma dos problemas -la ventana del tiempo inadecuada para la fromación de las galaxias y la existencia de la “materia oscura”- y los une para conformar una solución al dilema central de la estructura del universo.

La “materia oscura”, por hipótesis, tiene una ventana de tiempo mucho más larga que la materia ordinaria, porque se desapareja más pronto en el Big Bang. Tiene mucho tiempo para acumularse antes de que la materia ordinaria sea libre para hacerlo y formar los átomos. La “materia oscura o sustancia cósmica primera, es de porte más sencillo y no tiene ni requiere la complejidad de la materia bariónica para formarse, es totalmente translúcida y se sitúa por todas partes, es decir, permea todo el universo invadiendo todas sus regiones a medida que este se expande más y más. Y fue esa “invisible” sustancia cósmica, la que realmente hizo posible que las galaxias se pudieran formar a pesar de la expansión de Hubble.

El hecho de que la materia ordinaria caiga entonces en el agujero gravitatorio creado de este modo sirve para explicar por qué encontramos galaxias rodeadas por un halo de algo que hemos dado en llamar “materia oscura”. Tal hipótesis mata dos pájaros de un sólo tiro.

Pero debemos recordar que en este punto sólo tenemos una idea que puede funcionar, no una teoría bien construida. Para pasar de la idea a la teoría, tenemos que responder dos preguntas importantes y difíciles:

1. ¿Cómo explicamos la estructura de la “materia oscura”?

2. ¿Qué es la “materia oscura”?

Se habla de materia oscura caliente y fría. También, algunas veces me veo sorprendido por las ocurrencias que tienen algunos científicos de hoy que, como los antiguos, imaginan respuestas para acomodar las cuestiones que realmente desconocen y, buscan así, una salida airosa sin que se note la inmensa ignorancia que llevan consigo.

Podríamos comenzar a examinar estas cuestiones pensando en el modo en que la “materia oscura” pudo separarse de la nube caliente en expansión, de materiales que constituía el universo en sus comienzos. Por analogía de la discusión del desaparejamiento de la materia ordinaria después de la formación de los átomos, llamaremos también desaparejamiento a la separación de la “materia oscura” de aquella fuente “infinita” de energía primera. Una transformarción como la que condujo a la formación de los átomos es necesaria para que ocurra el desaparejamiento. Todo lo que tiene que suceder es que la fuerza de la interacción de las partículas que forman la “materia oscura” caigan por debajo del punto en que el resto del universo puede ejercer una presión razonable sobre él. Después de esto, la “materia oscura” continuará a su aire, indiferente a todo lo que la rodee.

Resulta que desde el punto de vista de la creación de la estructura observada del universo, la característica más importante del proceso de desaparejamiento para la “materia oscura” es la velocidad de las partículas cuando son libres. Si el desaparejamiento tiene lugar muy pronto en el Big Bang, la “materia oscura” puede salir con sus partículas moviéndose muy rápidamente, casi a la velocidad de la luz. Si es así, decimos que la “materia oscura” está caliente. Si el desaparejamiento tiene lugar cuando las partículas están moviéndose poco a poco -velocidad significativamente menor que la de la luz- decimos que la materia está fría.

De los tipos de “materia oscura” que los cosmólogos toman en consideración, los neutrinos serán el mejor ejemplo de “materia oscura” caliente. Los neutrinos han llamado la atención de los científicos en relación a la “materia oscura” durante mucho tiempo. Para tener una idea aproximada del número de neutrinos del universo, podríamos decir que existe actualmente un neutrino por cada reacción nuclear que tuvo lugar desde siempre. Los cálculos indican que hubo aproximadamente mil millones de neutrinos producidos durante el Big Bang por cada protón, neutrón o electrón. Cada volumen del espacio del tamaño de nuestro cuerpo contiene unos diez millones de estos neutrinos-reliquias y en ellos no se encuentran los que se produjeron más tarde en las estrellas. Está claro que toda partícula tan corriente como ésta podría tener en principio un efecto muy grande sobre la estructura del Cosmos, si tuviera una masa.

Pero resulta que la “materia oscura” caliente, actuando sola, casi con toda seguridad no podría explicar lo que observamos en el universo y que el escenario de “materia oscura-fría” debe modificarse por completo si queremos mantenerla como candidata a esa teoría última de la materia que “debe” existir en el universo pero, que no sabemos lo que es y la llamamos, precisamente por eso “materia oscura”.

El tema de la materia desconocida, invisible, oculta y misteriosa que hace que nuestro universo se comporte como la hace… ¿sigue siendo una gran incógnita! Nadie sabe el por qué las galaxias se alejan las unas de las otras, el motivo de que las estrellas en la periferia de las galaxias se muevan a mayor velocidad de lo que deberían y otros extraños sucesos que, al desconocer los motivos, son achacados a la “materia oscura”, una forma de evadirse y cerrar los ojos ante la inmensa ignorancia que tenemos que soportar en relación a muchos secretos del Universo a los que no podemos dar explicación.

Sí, las cuerdas son unas buenas candidatas para la “materia oscura”

              Claro que otros, han imaginado cuestiones y motivos diferente para explicar las cosas

Aunque no todas si son muchas las GUT y teorías de supersimetría las que predicen la de cuerdas en la congelación del segundo 10^-35 después del comienzo del tiempo, cuando la fuerza fuerte se congeló y el universo se infló. Las cuerdas se deben considerar un subproducto del proceso mismo de congelación. Es cierto que aunque las diversas teorías no predicen cuerdas idénticas, sí predicen cuerdas con las mismas propiedades generales. En primer lugar las cuerdas son extremadamente masivas y también extremadamente delgadas; la anchura de una cuerda es mucho menor que la anchura de un protón. Las cuerdas no llevan carga eléctrica, así que no interaccionan con la radiación como las partículas ordinarias. Aparecen en todas las formas; largas líneas ondulantes, lazos vibrantes, espirales tridimensionales, etc. Sí, con esas propiedades podrían ser un candidato perfecto para la “materia oscura”. Ejercen una atracción gravitatoria y no pueden ser rotas por la presión de la radiación en los inicios del Universo.

 El espesor estimado de una cuerda es de 10^-30 centímetros, comparados con los 10^-13 de un protón. Además de ser la más larga, y posiblemente la más vieja estructura del universo conocido, una cuerda cósmica sería la más delgada: su diámetro sería 100.000.000.000.000.000 veces más pequeño que el de un protón.. Y la cuerda sería terriblemente inquieta, algo así como un látigo agitándose por el espacio casi a la velocidad de la luz. Las curvas vibrarían como enloquecidas bandas de goma, emitiendo una corriente continua de ondas gravitacionales: rizos en la misma tela del espacio-tiempo. ¿Qué pasaría si una cuerda cósmica tropezara con un planeta? Al ser tan delgada, podría traspasarlo sin tropezar con un solo núcleo atómico. Pero de todos modos, su intenso campo gravitatorio causaría el caos.

Lo cierto es que todavía no se ha encontrado ninguna cuerda de este tipo. Si bien en los últimos años han surgido muchas candidatas a estar formadas por un efecto de lente de este tipo, la mayoría han resultado ser dos cuerpos distintos pero muy similares entre sí. Pese a ello, los astrofísicos y los teóricos de cuerdas no pierden la esperanza de encontrar en los próximos años, y gracias a telescopios cada vez más potentes, como el GTC y aceleradores como el LHC las evidencias directas de la existencia de este tipo de cuerdas; evidencias que no sólo nos indicarían que las teorías de cuerdas van por buen camino, sino que el modelo del Big Bang es un modelo acertado.

Simulación del efecto de lente generado por una cuerda cósmica. Crédito: PhysicsWorld.com

Por tanto, cuando observásemos un objeto con una cuerda cósmica en la trayectoria de nuestra mirada, deberíamos ver este objeto dos veces, con una separación entre ambas del orden del defecto de ángulo del cono generado por la curvatura del espacio-tiempo. Esta doble imagen sería característica de la presencia de una cuerda cósmica, pues otros cuerpos, como estrellas o agujeros negros,  curvan el espacio-tiempo de manera distinta. Por tanto, una observación de este fenómeno no podría dar lugar a un falso positivo.

En este sentido, el nombre de cuerda cósmica está justificado debido a que son impresionantemente pesadas, pasando a ser objetos macroscópicos aun cuando su efecto es pequeño. Una cuerda de seis kilómetros de longitud cuya separación entre ambas geodésicas es de apenas 4 segundos de arco tendría ¡la masa de la Tierra!. Evidentemente, cuerdas de este calibre no se espera que existan en la naturaleza, por lo que los defectos de ángulo esperados son aún menores y, por tanto, muy difíciles de medir.

Una de las virtudes de la teoría es que puede detectarse por la observación. Aunque las cuerdas en sí son invisibles, sus efectos no tienen por qué serlo. La idea de las supercuerdas nació de la física de partículas, más que en el de la cosmología (a pesar de que, la cuerdas cósmicas, no tienen nada que ver con la teoría de las “supercuerdas”, que mantiene que las partículas elementales tienen forma de cuerda). Surgió en la década de los sesenta cuando los físicos comenzaron a entrelazar las tres fuerzas no gravitacionales – electromagnetismo y fuerzas nucleares fuertes y débiles – en una teoría unificada.

En 1976, el concepto de las cuerdas se había hecho un poco más tangible, gracias a Tom Kibble. Kibble estudiaba las consecuencias cosmológicas de las grande teorías unificadas. Estaba particularmente interesado en las del 10^-35 segundo después del Big Bang.

        Podrían estar por todas partes

Aunque no todas si son muchas las Grandes Teorías Unificadas y teorías de supersimetría las que predicen la formación de cuerdas en la congelación del segundo 10^-35 después del comienzo del tiempo, cuando la fuerza fuerte se congeló y el universo se infló. Las cuerdas se deben considerar un subproducto del proceso mismo de congelación. Es cierto que aunque las diversas teorías no predicen cuerdas idénticas, sí predicen cuerdas con las mismas propiedades generales. En primer lugar las cuerdas son extremadamente masivas y también extremadamente delgadas; la anchura de una cuerda es mucho menor que la anchura de un protón. Las cuerdas no llevan carga eléctrica, así que no interaccionan con la radiación como las partículas ordinarias. Aparecen en todas las formas; largas lineas ondulantes, lazos vibrantes, espirales tridimensionales, etc. Sí, con esas propiedades podrían un candidato perfecto la “materia oscura”. Ejercen una atracción gravitatoria, no pueden ser rotas por la presión de la radiación en los inicios del Universo.

Como habéis podido comprender, todas estas teorías están por demostrar y sólo son conjeturas derivadas de profundos pensamientos de lo que puso ser y de lo que podría ser. Nada relacionado con la materia oscura, las supercuerdas o las cuerdas cósmicas ha sido demostrado ni se han observado por medio alguno en nuestro Universo. Sin embargo, no descartar nada y hacer lo posible por demostrarlas, es la obligación de los científicos que tratan de buscar una explicación irrefutable de cómo es el Universo y por qué es así.

              El misterioso “universo” de los campos cuánticos que nadie sabe lo que esconde

A los cosmólogos les gusta visualizar esta revolucionaria transición como una especie de “cristalización”: el espacio, en un principio saturado de energía, cambió a la más vacía y más fría que rodea actualmente nuestro planeta. Pero la cristalización fue, probablemente, imperfecta. En el cosmos recién nacido podría haberse estropeado con defectos y grietas, a medida que se enfriaba rápidamente y se hinchaba. En fin, muchas elucubraciones y conjeturas que surgen siempre que no sabemos explicar esa verdad que la Naturaleza esconde y, mientras tanto nosotros, simples mortales de la especie Homo, seguimos dejando volar nuestra imaginación que trata, cargada siempre de curiosidad, de desvelar esos misterios insondables del Universo.

Finalmente sabremos sobre esa sustancia cósmica que impregna todo el universo pero, no será la “materia oscura” de la que todos hablan, será otra cosa muy diferente e inimaginable en estos momentos en los que, nuestra ignorancia, echa mano de cualquier cosa para poder ocultarla… ¡materia oscura! ¿Qué es eso?

Emilio Silvera Vázquez

  ¡La ilusión de simplificar la Naturaleza!

No existía antes del comienzo y aparecieron juntos Espacio y Tiempo, “nacieron y crecieron al mismo ritmo, y, fueron “testigos” de todo lo que allí pudo pasar. Lástima que no nos lo puedan contar.

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 lo son las posiciones en el espacio (Euclides) 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 relatividad especial nos explica otras cosas, complementando así, una teoría completa y precisa de la Naturaleza del Universo.

Nuestra línea de universo resume toda nuestra historia, desde que nacemos hasta que morimos.  Cuanto más rápido nos movemos más se inclina la línea de Universo.  Sin embargo, la velocidad más rápida a la que podemos viajar es la velocidad de la luz.  Por consiguiente, una parte de este diagrama  espacio – temporal está “prohibida”; es decir, tendríamos que ir a mayor velocidad que la luz para entrar en esta zona prohibida por la relatividad especial de Einstein que, nos dice que nada en nuestro Universo puede viajar a velocidades superiores a C.

 

 

La presencia de grandes masas curva el espacio. En la imagen la analogía bidimensional de la distorsión del espacio-tiempo debido a un objeto de gran masa

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).

Einstein lo dedujo en una fórmula matemática que relaciona la geometría del espacio-tiempo con la distribución de masa y energía: esta fórmula se conoce como ecuación de Einstein y es el centro medular de la teoría de la relatividad general.

donde  es un tensor simétrico 4 x 4, así que tiene diez componentes independientes. Dada la libertad de elección de las cuatro coordenadas del espacio-tiempo, las ecuaciones independientes se reducen en número a seis. Estas ecuaciones son la base de la formulación matemática de la relatividad general. Nótese que considerando la contracción sobre los dos índices de la última relación se encuentra que el escalar de curvatura se relaciona con la traza del tensor energía impulso y la constante cosmológica

La equivalencia aceleración-gravitación llevó a Einstein, de forma genial, a la concepción de la fuerza de la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo. La visualización de este hecho la podemos observar en la figura: una superficie elástica (semejante al espacio-tiempo) se curva bajo la acción de objetos pesados (las grandes masas, de intensos campos gravitatorios), de forma que las trayectorias (geodésicas) que pueden seguir los objetos pequeños cuando están cerca de los grandes se acercan a los mismos. Einstein formuló una ecuación que muestra el grado de curvatura del espacio-tiempo en función de la cantidad de masa, relaciona masa con curvatura: materia (o energía) con deformación del espacio-tiempo.

Así, en un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides 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.

métricas de Friedman-Robertson-Walker (FRW)

En los modelos cosmológicos más sencillos basados en los modelos de Friedmann, la curvatura de espacio-tiempo está relacionada simplemente con la densidad media de la materia, y se describe por una función matemática denominada métrica de Robertson-Walker. Si un universo tiene una densidad mayor que la densidad crítica, se dice que tiene curvatura positiva, queriendo decir que el espacio-tiempo está curvado sobre sí mismo, como la superficie de una esfera; la suma de los ángulos de un triángulo que se dibuje sobre la esfera es entonces mayor que 180°. Dicho universo sería infinito y se expandiría para siempre, es el universo abierto. Un universo de Einstein-de Sitter tiene densidad crítica exacta y es, por consiguiente, espacialmente plano (euclideo) infinito en el espacio y en el tiempo.

La segunda es la Imagen del espacio (1 + 1) -dimensional anti-de Sitter incrustado en un espacio plano (1 + 2) -dimensional. Los ejes t₁– y t₂ se encuentran en el plano de simetría rotacional, y el eje x₁ es normal a ese plano. La superficie incrustada contiene curvas cerradas de tipo temporal que giran alrededor del eje x₁, aunque éstas pueden eliminarse “desenrollando” la incrustación (más precisamente tomando la cubierta universal).

Conforme a la cantidad de materia que existe en nuestro Universo (el Omega Negro que llaman los),  cosmólogos…

Hemos mencionado antes la relatividad del tiempo que para el mismo suceso será distinto en función de quién sea el que cronometre; por ejemplo, el tiempo transcurre más despacio para el astronauta que en nave espacial viaja a velocidades próximas a c, la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, en el caso antes señalado, el tiempo del astronauta viajero avanza más lentamente en un factor que denotamos con la ecuación , cuando lo mide un sistema de referencia que viaja a una velocidad v relativa al otro sistema de referencia; c es la velocidad de la luz. Este principio ha sido verificado de muchas maneras; por ejemplo, comparando las vidas medias de los muones rápidos, que aumentan con la velocidad de las partículas en una cantidad predicha en este factor de la anterior ecuación.

Un ejemplo sencillo de la dilatación del tiempo es la conocida paradoja de los gemelos. Uno viaja al espacio y el otro lo espera en la Tierra. El primero hace un viaje a la velocidad de la luz hasta Alfa de Centauri y regresa. Cuando baja de la nave espacial, tiene 8’6 años más que cuando partió de la Tierra. Sin embargo, el segundo gemelo que esperó en el planeta Tierra, al regreso de su hermano, era ya un viejo jubilado. El tiempo transcurrido había pasado más lento para el gemelo viajero.

Se despiden los dos hermanos jóvenes. Al regreso, el viajero es joven y el que quedo en la Tierra está jubilado

Otra curiosidad de la relatividad especial es la que expresó Einstein mediante su famosa fórmula de E = mc², que nos viene a decir que masa y energía son dos aspectos de una misma cosa. Podríamos considerar que la masa (materia), es energía congelada. La bomba atómica demuestra la certeza de esta ecuación.

Uno de los gráficos anteriores, que es una muestra de las tres posibles maneras en que puede estar conformado nuestro universo, dependerá finalmente, de la densidad critica, es decir, de la masa que realmente contenga el universo. Claro que, según dicen, hay por ahí una materia desconocida que denominamos “oscura” y que, al parecer, confroma la mayor parte de la materia del universo.

“Es un tipo de masa invisible que posee gran atracción gravitatoria. El “descubrimiento” lo realizó, por medios de rayos X, el laboratorio Chandra perteneciente a la NASA. (Pongamos en cuarentena lo de “descubrimiento”).

Los astrónomos dicen que han encontrado las mejores pruebas hasta la fecha sobre la “Materia Oscura”, la misteriosa sustancia invisible que se cree constituye la mayor parte de la masa del universo. En la imagen de arriba han querido significar, diferenciándola en colores, las dos clases de materia, la bariónica y la oscura que, en este caso, sería la azulada -según dicen-. Sin embargo, la imagen no refleja la proporción que dicen existe entre la una y la otra.

      En el Universo, como ocurre en los átomos, casi todo son espacios vacíos

La densidad crítica está referida a la densidad media de materia requerida para que la gravedad detenga la expansión de nuestro universo. Así que si la densidad es baja se expandirá para siempre, mientras que una densidad muy alta colapsará finalmente. Si tiene exactamente la densidad crítica ideal, de alrededor de 10^-29 g/cm³, es descrito por el modelo al que antes nos referimos conocido como de Einstein-de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos. La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro universo representa sólo el 20% del valor crítico. Puede haber, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la densidad hasta el valor crítico. Las teorías de universo inflacionario predicen que la densidad presente debería ser muy aproximada a la densidad crítica; estas teorías requieren la existencia de materia oscura.

“Composición. El universo observable actual parece tener un espacio-tiempo geométricamente plano, conteniendo una densidad masa-energía equivalente a 9,9 × 10⁻³⁰ gramos por centímetro cúbico.”

Conforme a lo antes dicho, la densidad media de materia está referida al hecho de distribuir de manera uniforme toda la materia contenida en las galaxias a lo largo de todo el universo. Aunque las estrellas y los planetas son más densos que el agua (alrededor de 1 g/cm³), la densidad media cosmológica es extremadamente baja, como se dijo antes, unos 10^-29 g/cm³, o 10^-5 átomos/cm³, ya que el universo está formado casi exclusivamente de espacios vacíos, virtualmente vacíos, entre las galaxias. La densidad media es la que determinará si el universo se expandirá o no para siempre.

 

Arriba tenemos una visión del enorme cúmulo de galaxias Abell 2218, ubicado en la constelación de Draco a unos dos mil millones de años-luz de la Tierra.

 

La curvatura del Espacio -Tiempo extrema está presente en un Agujero Negro, donde el espacio desaparece y el tiempo se distorsiona hasta el infinito en la Singularidad.

En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y galaxias y supercúmulos de galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo, eso que conocemos como gravedad, una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).

En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante.

Esta fuerza es la responsable de tener cohesionado a todo el universo, de hacer posible que existan las galaxias, los sistemas solares y que nosotros mismos tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta Tierra, cuya gravedad tira de nosotros para que así sea.

                     La fuerza de gravedad hace posible la cohesión del Sistema Solar

No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable.

La gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.

                 Tener en nuestras manos la Gravitación Cuántica, es cosa del futuro

La teoría cuántica es un ejemplo de talento que debemos al físico alemán Max Planck (1.858 – 1.947) que, en el año 1.900 para explicar la emisión de radiación de cuerpo negro de cuerpos calientes, dijo que la energía se emite en cuantos, cada uno de los cuales tiene una energía igual a hv, donde h es la constante de Planck (E = hv o ħ = h/2π) y v es la frecuencia de la radiación. Esta teoría condujo a la teoría moderna de la interacción entre materia y radiación conocida como mecánica cuántica, que generaliza y reemplaza a la mecánica clásica y a la teoría electromagnética de Maxwell.  En la teoría cuántica no relativista se supone que las partículas no son creadas ni destruidas, que se mueven despacio con respecto a la velocidad de la luz y que tienen una masa que no cambia con la velocidad. Estas suposiciones se aplican a los fenómenos atómicos y moleculares y a algunos aspectos de la física nuclear. La teoría cuántica relativista se aplica a partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz, como por ejemplo, el fotón.

De todas las maneras, los misterios cuánticos serán desvelados por nuestras mentes poderosas de la misma manera que hemos podido traspasar otras barreras del saber. Llegará ese tiempo futuro en el cual, dejará de ser un misterio esa compleja unión de la Gravedad de Einstein con la Cuántica de Planck. Claro que, como decía por alguna parte, el futuro estará cargado de nuestro presente y, si no hacemos ahora lo que debemos…mal pintarán las cosas.

Emilio Silvera Vázquez

“Hay dos maneras de difundir la luz: ser la vela encendida o el espejo que la refleja.”

 

En ese sentido, como nadie nace sabiendo, todos hemos recibido el reflejo del saber del mundo al leer los pensamientos de otros, al prestar atención a las enseñanzas escolares y académicas o universitarias y, también, no pocos conocimientos adquiridos son el fruto de la experiencia y de la vida que cada uno de nosotros hemos llevado y nos ha tocado vivir.

Las branas son entidades físicas conjeturadas por la teoría M y su vástago, cosmología de branas.  En la teoría M, se postula la existencia de p-branas y d-branas (ambos nombres provienen parasintéticamente de “membrana”). Las p-branas son objetos de dimensionalidad espacial p (por ejemplo, una cuerda es una 1-brana). En cosmología de branas,  el término “brana” se utiliza para referirse a los objetos similares al universo cuadri-dimensional (El fenómeno real cuadridimensional –tres dimensiones espaciales más la dimensión temporal- puede visualizarse a través de un gráfico tridimensional: en los dos ejes horizontales figuran dos de las dimensiones espaciales, y en el eje vertical la dimensión temporal. que se mueven en un sustrato de mayor dimensión). Las d-branas son una clase particular de p-branas.

                    Aquí estaría representada la membrana y la “materia oscura“.

Según la teoría de cuerdas, las membranas existen en la undécima dimensión,   en realidad son infinitas. Se dice que cada membrana corresponde a un un universo,  por ejemplo a nuestro universo le corresponde una membrana y las otras membranas serían universos paralelos.  Según algunos físicos el universo es una membrana esférica, los bordes de las membranas forman ondulaciones  las cuales están en constante movimiento, se dice que estas membranas se mueven con “forma de olas” en esta dimensión (11ª). Esta dimensión es sumamente delgada e infinitamente larga, estas membranas están en movimiento como las olas en el mar, es decir, las membranas serían burbujas en olas de mar que al chocar inician el big bang; es decir, el big bang es un fenómeno que ocurre una y otra vez.

En el marco de la teoría de cuerdas,  la membrana(M) es un conjunto de dimensiones presente, ampliando sus límites.  Se ha llegado a explicar la causa del “Big Bang”por el choque de dos membranas, así, la explosión producida sería la causa del nacimiento y expansión del universo. La materia y la energía sólo puede transmitirse a través de las cuatro primeras dimensiones excepto la gravedad,  que puede difundirse en las once. La materia de una puede alterar el espaciotiempo de otra paralela. De hecho, fenómenos similares fueron los que indujeron la teoría.

Hiperbólico (silla de montar)

Las membranas podrían estar separadas por distancias pequeñísimas unas de otras, incluso, según resultados experimentales, a millonésimas de milímetro. Gracias a este hecho se intentaría explicar por qué la gravedad parece menos fuerte de lo que en realidad es. Las formas más postuladas son la de membranas planas y paralelas entre sí y la de paraboloide hiperbólico  (silla de montar).

Si las membranas son planas y paralelas, la gravedad quedaría encajonada entre ambas, fluctuando entre una y la otra, pero siempre manteniéndose constante. Por el contrario, si las membranas adoptaran la forma de silla de montar, irían perdiendo paulatinamente energía y, por tanto, materia, hasta desaparecer sumido en la difusión por las once dimensiones.

                                      El modelo Steinhardt–Turok

En este modelo cíclico basado en la cosmología de branas, rival del modelo inflacionario, dos láminas tridimensionales o 3-branas colisionan periódicamente. Según esta teoría la parte visible del universo de cuatro dimensiones representa una de esas branas, quedando la otra brana oculta a todas las fuerzas de la naturaleza excepto la gravedad. Cada ciclo consiste en que cada una de las branas dentro de un espacio-tiempo tetradimensional y separadas por una dimensión espacial muy corta y seis enrolladas chocan con cierta periodicidad creando condiciones parecidas a las del big bang del modelo inflacionario.

Según la teoría, después de millones de años, al aproximarse el final de cada ciclo la materia y la radiación se diluyen a casi cero debido a una expansión acelerada del universo alisando las dos branas pero con pequeños rizos o fluctuaciones cuánticas aún presentes que imprimirán en el próximo choque con no uniformidades que crearán grumos o cúmulos que generarán estrellas y galaxias.

            Cuando todo “termina” se dan las circunstancias necesarias para que todo comience de nuevo

Pero sigamos con las dimensiones y las consecuencias más interesantes de añadir dimensiones espaciales extra que hacen posible que cambien las constantes de la Naturaleza observadas. Si el mundo tiene realmente cuatro dimensiones espaciales, entonces las verdaderas constantes de la Naturaleza existen en cuatro dimensiones. Si nosotros nos movemos sólo en tres de esas dimensiones, veremos y sentiremos sólo “sombras” tridimensionales de las auténticas constantes tetradimensionales.

En un lugar de más dimensiones que no vemos, el espacio y el tiempo pueden ser encubiertos y podría dar lugar a que se formen galaxias en un plano de sombras que no podemos alcanzar a ver en nuestro mundo tridimensional. sería como si un universo paralelo al nuestro estuviera llevando un ritmo en el que, las cosas podrían ser iguales pero distintas.

Claro que esas sombras de las que hablo, no tienen por qué ser constantes. Si la dimensión extra aumenta en tamaño, igual que se están expandiendo nuestras tres dimensiones del Universo, entonces nuestras constantes tridimensionales decrecerán al mismo ritmo. Esto nos dice inmediatamente que si algunas dimensiones extra están cambiando, deberán hacerlo de una forma bastante lenta; de lo contrario nosotros no las hubiéramos llamado “constantes” en absoluto.

      La constante de estructura fina ha sido medida de mil manera (Constante universal que está relacionada con el desplazamiento de los niveles de energía de un átomo que presenta estructura fina. Su valor es α = 2π e² /hc, donde e es la carga del electrón, h la constante de Planck, y c la velocidad de la luz en el vacío.).

 

Tomemos  una constante tradicional de la Naturaleza, como la constante de estructura fina, normalmente representada por el símbolo , es la constante física fundamental  que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética.  Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado.

La expresión que la define es:

donde  es la carga elemental,  la   es la constante reducida o racionalizada de Planck,  es la velocidad de la luz  en el vacío, y psilon es la permitividad del vacío. Si el tamaño de la dimensión extra del espacio es R, entonces el valor de la “constante” de estructura fina tridimensional α, variaría en proporción a 1/R² cuando cambia R.

Imaginemos que estamos en un universo en expansión de cuatro dimensiones pero sólo podemos movernos en tres de ellas. Las fuerzas de la electricidad y el magnetismo pueden “ver” las cuatro dimensiones y encontraremos que nuestra parte tridimensional de ellas se debilitará cuando la cuarta dimensión se haga mayor.

Sabemos que si la constante de estructura fina tridimensional está cambiando no puede hacerlo en ninguna parte tan rápido como se expande el Universo. Esto nos dice que cualquier cuarta dimensión debe ser muy diferentes de las otras. La idea de Klein consistía en que es a la vez muy pequeña y estática y que está confinada en el límite de Planck. Alguna fuerza extra atrapa las dimensiones extra y las mantiene pequeñas. Si no cambian de tamaño de forma significativa no tenemos por qué ver ninguna de nuestras constantes cambiando.

Un escenario posible imagina que el Universo empieza con todas sus dimensiones espaciales comportándose de una manera democrática, pero luego, algunas de las dimensiones quedan atrapadas y permanecen compactadas de manera tal que son infinitesimales, están el el límite de Planck y permanecen, como digo, estáticas y muy pequeñas desde entonces en ese lugar invisible al que no podemos llegar y que se denota con:

Las otras tres dimensiones que sí consiguieron expandirse, son las que vemos y en las que vivímos, las que forman y hacen de nuestro universo el que podemos observar hoy, en el que se han conformado las galaxias y los mundos que, en alguna ocasión, han podido surgir criaturas que, como ha pasado aquí en la Tierra, hablen de estas cuestiones complejas que no llegan a entender… del todo.

Como no dejamos de pretender alcanzar lo “inalcanzable”, allá por el año 1982, los teóricos de cuerdas sugirieron por primera vez una respuesta a un viejo problema: cómo casar la teoría cuántica con la teoría de la gravedad de Einstein. Todos los intentos previos habían fracasado miserablemente. Predecían invariablemente que alguna cantidad medida debería ser infinita. Estos “infinitos” plagaban todas las teorías con sólo tres dimensiones de espacio y una de tiempo. Sin embargo, en 1984 Michael Green y John Wchwarz demostraron que este problema podía subsanarse combinando dos ideas radicales.

Einstein, desde donde se pueda encontrar, estará sonriendo al comprobar con satisfacción que sus ecuaciones de campo de la relatividad general, sin que nadie las llame y como por arte de magia, surgen de la Teoría M de cuerdas en la que subyacen sus ideas. Y, al contemplar, no sin cierto grado de asombro cómo se pueden unir las dos teorías (la suya y la de Planck, la de lo muy grande y lo muy pequeño), los que le siguieron habían conseguido lo que él mismo persiguió, sin conseguirlo durante más de treinta años.

Green y Wchwarz sugerían que, si se abandona la idea de que las entidades más básicas son puntuales (se referían a las partículas subatómicas), con tamaño cero, y se permite que haya más de tres dimensiones espaciales, entonces los infinitos desaparecen milagrosamente, cancelándose. Como sucede con la anterior teoría de Kaluza-Klein. Es apasionante y misterioso el hecho de que, en esa escala tan pequeña de 10^-33 cm, la longitud fundamental de Planck, se puedan encontrar “escondidas” las dimensiones que nos permiten unificar las dos teorías más importantes de nuestro tiempo.

      ¿Habrá un Universo en la sombra que no podemos ver?

Claro que, tendremos que poner los pies en el suelo y centrarnos en lo que “sabemos” y “vemos”: Neutrinos, fotones, quarks, leptones, hadrones: bariones y mesones, todos, en definitiva son lo mismo, distintos estados de la materia que conforman unos y otros en determinadas ocasiones, y, en cada momento, ocupan el lugar que les destina en Universo adoptando la forma que en ese preciso instante les corresponde. Claro que, todos estos, son objetos de nuestro Universo luminoso, el otro, el Universo en la Sombra, ni sabemos si puede estar realmente ahí.

Durante mucho tiempo, los físicos han sabido que toda reacción entre partículas elementales obedece a una simetría que llamamos CPT. Esto significa que si miramos la partícula de una reacción, y luego vemos la misma reacción cuando (1) la miramos en un espejo, (2) sustituimos todas las partículas por antipartículas y (3) hacemos pasar la partícula hacia atrás, los resultados serán idénticos. En este esquema la P significa paridad (el espejo), la C significa conjugación de carga (poner las antipartículas) y T la reserva del Tiempo (pasar la partícula al revés).

Claro que, todo lo anteriormente expuesto son sólo sugerencias del momento y que duran y tienen vigencia durante un tiempo impredecible, ya que, el tiempo sigue su marcha, el universo continúa expandiéndose y, nuestras mentes evolucionan para poder “ver” otras teorías y otros horizontes nuevos y más avanzados, complejos y profundos que nos acercan a la verdadera naturaleza del Universo que no comprendemos…, lo suficiente.

Emilio Silvera Vázquez