Hemos podido llegar a saber que la vida está estrechamente ligada a las estrellas y a “los mundos” y, aunque solo tengamos una muestra de ella que se ha dado en el planeta que llamamos Tierra… Todos los indicios apuntan a que muchos otros mundos también, como el nuestro, podrá albergar la vida ¡de tántas formas diferentes! Claro que, para empezar ni sabemos como pudo comenzar todo esto.

“En Cosmología, las condiciones  “iniciales” raramente son absolutamente iniciales, pues nadie sabe como calcular el estado de la materia y el espacio-tiempo antes del Tiempo de Planck, que culminó alrededor de 10^-43 de segundo Después del Comienzo del Tiempo.”

El tiempo de Planck es una unidad de tiempo considerada como el intervalo temporal más pequeño que puede ser medido. Se denota mediante el símbolo t_P. En cosmología, el tiempo de Planck representa el instante de tiempo más antiguo en el que las leyes de la física pueden ser utilizadas para estudiar la naturaleza y evolución del Universo. Se determina como combinación de otras constantes físicas en la forma siguiente:

5.39124(27) × 10⁻⁴³ segundos

Llegados a este punto, me remito al párrafo segundo de este trabajo, en él se deja claro que, nada sabemos de ese instante primero anterior al T_p. Qué habría allí entonces, qué sustancias dieron lugar a la materia y, de dónde salieron las fuerzas fundamentales que hoy conocemos. Esas cuatro fuerzzas que definen nuestro universo (Electromagnetismo Fuerzas nucleares débil y fuerte y la Gravedad), dicen que al principio sólo fue una sóla fuerza. Entonces todo era simetría que se rompió para desgajarse esas cuatro fuerzas conocidas y, según dicen algunos, en otras que no pudieron desplegarse y quedaron compactadas en el límite de Planck.

El período entre 10^-43 s -la era de Planck- y 300.000 años después del comienzo del tiempo. Durante este periodo, la expansión del universo estaba dominada por los efectos de la radiación o de las partículas rápidas (a altas energías todas las partículas se comportan como la radiación). De hecho, la era leptónica y la era hadrónica son ambas subdivisiones de la era de radiación.

Es verdaderamente encomiable la pertinaz insistencia del ser humano por saber, y, en el ámbito de la Astronomía, desde los más remotos “tiempos” que podamos recordar o de los que tenemos alguna razón, nuestra especie ha estado interesada en saber, el origen de los objetos celestes, los mecanismos que rigen sus movimientos y las fuerzas que están presentes para que todo eso ocurra tal como lo hemos podido comprobar.

La mayoría de los cosmólogos interpretan esta “singularidad” como una indicación de que la relatividad general de Einstein deja de ser válida en el universo muy primitivo (no existía materia), y el comienzo mismo debe ser estudiado utilizando una teoría de cosmología cuántica.

Es posible que bajo el Sol no encontremos nada nuevo; sin embargo, el estudio del cosmos ha sido y lo continúa siendo una apabullante caja de sorpresas. Hasta los años 20, los científicos preferían creer que el espacio era infinito y eterno. Se coincidía en la vaga noción de que éramos únicos en un universo hueco e insondable. Pero, como ya lo hemos mencionado en trabajos precedentes, la historia empieza a cambiar cuando el matemático ruso Alexander Friedmann en 1922, desafiando las afirmaciones de Albert Einstein de que el universo era estático, publicó un ensayo en el cual demostraba un error en los cálculos de Einstein y que las propias ecuaciones de éste permitían la descripción de un universo que evoluciona. En 1927 el sacerdote belga y físico teórico George Lemaître aprecia los estudios de Friedmann y galvanizó a los cosmólogos con su propuesta de que un «átomo primigenio», denso y muy caliente estalló en forma similar a la bola de fuego del Big Bang para crear el actual universo. En los años ’20, el astrónomo Edwin Hubble y otros colegas suyos con sus observaciones demostraron que el universo se estaba expandiendo; todas las galaxias se alejaban unas de otras, incrementando el espacio entre ellas y sus vecinas.

Aunque Lemaître, «el padre de la teoría del Big Bang», diese el primer paso, su versión moderna se debe a George Gamow y a sus alumnos Ralph Alpher y Robert Herman. En los años 40, calcularon la síntesis de los elementos químicos de la explosión primordial y, al hacerlo, trasladaron la idea del Big Bang del campo de las hipótesis al terreno de la ciencia de observación. Alpher y Herman estimaron que el espacio debería estar actualmente bañado por un mar de energía electromagnética que, en términos del cuerpo negro, estimaron que ésta debía bordear los 5° K por encima del cero absoluto, lo que informaron en una carta enviada a la revista científica Nature en 1948. La estimación sobre la existencia de la energía electromagnética quedó confirmada cuando, dieciocho años después, Penzias y Wilson lograron identificarla, calculando que esta comportaba una temperatura de 2,7°K.

La teoría del Big Bang es capaz de explicar la expansión del universo, la existencia de una radiación de fondo cósmica y la abundancia de núcleos ligeros como el helio, el helio-3, el deuterio y el litio-7, cuya formación se predice que ocurrió alrededor de un segundo después del Big Bang, cuando la temperatura reinante era de 10¹⁰ K.

La demostración hecha por Hubble, como la comprobación de la temperatura de la radiación de fondo que realizaron Penzias y Wilson, dieron cabida para que desde la década de los 50 surgiera una aceptación mayoritariamente generalizada de la hipótesis de que el universo había tenido su comienzo en la explosión de un átomo primigenio (Big Bang); que las enormes densidades y las altas temperaturas al principio del tiempo y del espacio pudieron haber borrado la distinción entre materia y energía (Big Squeeze), y que de ese guiso materia energía se habría generado la energía radiante. Luego, mientras el universo comenzaba a expandirse y a enfriarse, la primera materia en emerger lo habría hecho en forma de partículas elementales: protones, neutrones y electrones constituyendo lo que se ha llamado «ylem», un término tomado de Aristóteles, para esta materia primordial. Posteriormente, a medida que se enfriaba y se hacía menos denso el «ylem» y se reducía la radiación de alta energía, los neutrones existentes empezaron a combinarse con protones, formándose los núcleos atómicos. Los protones solitarios atraían a los electrones para crear átomos de hidrógeno, y los núcleos más pesados reunían también sus complementos más grandes de electrones. El Big Squeeze pudo haber sido el crisol de todos los elementos observados hoy en el universo. En esto hay que consignar que diferentes investigaciones de laboratorio han concluido que lo inmediatamente anterior descrito ocurrió dentro de los primeros minutos de la expansión cósmica donde se constituyó un proceso igual que la alquimia: En el ylem, una sustancia era transformada en otra.

Pero esta cuestión del ylem, también dio cabida a la idea de un universo pulsante. Pero junto con ganar la aceptación generalizada de los que hacen ciencia la hipótesis del Big Bang como descripción del origen del universo, también ha sabido gozar en los años, desde la presentación de sus enunciados, de serios grupos de científicos retractores, a los que en el pasado se les llamó «malditos» y que ahora son distinguidos como heterodoxos.

Es indudable que por mucho que nos adentremos en el Big Bang, hay siempre materia presente. ¿Cómo comprender, pues, el punto mismo del origen? ¿De dónde procede la materia del universo? ¿Hay fallas en las leyes de la física que nos impulsen a remplazarlas o a adoptar una actitud mística?

La primera hipótesis competidora a la del Big Bang apareció, casi paralelamente, con la publicación de los enunciados de ésta y sus puertas fueron abiertas, prácticamente, por algunas dificultades que el Big Bang presentaba para explicar hechos que eran observados.

La materia salió de ese clima de enormes temperaturas ahora inimaginables y, durante varias etapas o eras (de la radiación, de la materia, hadrónica y bariónica… llegamos al momento presente habiendo descubierto muchos de los secretos que, el Universo guardaba celosamente para que, nosotros, los pudiéramos desvelar con algunas dificultades.

Una de esas dificultades, y que de la cual los propios autores estaban conscientes, es la que tiene que ver con la síntesis de los elementos. Gamow y su ayudante Ralph Alpher en su exploración de la síntesis de los elementos se encontraron con un importante obstáculo a explicar por la hipótesis que habían presentado. Por mucho que lo intentaran, no podían explicar la creación de elementos más pesados que el helio-4, un isótopo muy estable que se niega a aceptar a dar partículas, y así generar átomos sin peso. De todas maneras, en el momento en que fue creado el helio-4 –a los pocos minutos del comienzo de la expansión–, el cocimiento cósmico de partículas tenía que haberse hecho tan tenue que las colisiones no debieron producirse tan frecuentes como para generar los elementos más pesados.

Otro problema que presentaba la hipótesis de Gamow y que aún sigue siendo un tema permeable en la actualidad, pese a que en el pasado ya fue soslayada, es la que tiene que ver con la edad del universo. Aparece este problema cuando la expansión observada del universo fue utilizada para estimar la cantidad de tiempo que había transcurrido desde el momento de su “nacimiento”. La edad a la cual se concluía era significativamente inferior a la que se había logrado establecer por los geólogos para la Tierra haciendo uso de los isótopos de plomo para datar las rocas.

Mucho es lo que hemos tenido que estudiar y obervar para ir conociendo el Universo que nos acoge y, desde luego, la materia que lo puebla y cómo se conforman los átomos de esas partículas que hemos sabido clasificar por familias y cuyos nombres han llegado a ser tan familiares que, decir protón, neutrón o electrón es algo cotidiano y hasta amigable.

A pesar de su ínfima dimensión, los nucleones se unen a los electrones para formar los átomos y, estos a su vez, son los que forman la materia que conforman las Galaxias del Universo y todos los demos objetos que podemos observar.

Miremos ahora al revés. La masa del universo está concentrada casi por entero en los nucleones que contiene. Los nucleones son partículas diminutas y hacen falta 6×10²³ de ellas para formar una masa equivalente a un gramo.

Pues bien, si 6×20²³ nucleones hacen 1 g, y si hay 2×10⁵⁵ g en el universo, entonces el número total de nucleones en el universo podría ser de 6×10²³×2×10⁵⁵ ó 12×10⁷⁸, que de manera más convencional se escribiría 1,2×10⁷⁹.

Los astrónomos opinan que el 90 por 100 de los átomos de universo son hidrógeno, el 9 por 100 helio y el 1 por 100 elementos más complejos.  Una muestra de 100 gramos, o mejor 100 átomos, consistiría entonces en 90 átomos de hidrógeno, 9 de helio y 1 de oxígeno (por ejemplo). Los núcleos de los átomos de hidrógeno contendrían 1 nucleón cada uno: 1 protón. Los núcleos de los átomos de helio contendrían 4 nucleones cada uno: 2 protones  y 2 neutrones. El núcleo del átomo de oxígeno contendría 16 nucleones: 8 protones y 8 neutrones. Los 100 átomos juntos contendrían, por tanto, 145 nucleones: 116 protones y 26 neutrones.

Existe una diferencia entre estos dos tipos de nucleones. El neutrón no tiene carga eléctrica y no es preciso considerar ninguna partícula que lo acompañe. Pero el protón tiene una carga eléctrica positiva, y como el universo es, según creemos, eléctricamente neutro en su conjunto, tiene que existir un electrón (con carga eléctrica negativa) por cada protób, creando así el equilibrio existente.

La grandeza de nuestro Universo tiene su origen en las minúsculas partículas que conforman la materia, en las interacciones fundamentales que rigen las leyes y, en las constantes universales que indican cómo deben ser las cosas: la velocidad de la luz, la masa del electrón, la constante de estructura fina… De las demás partículas, las únicas que existen en cantidades importantes en el universo son los fotones, los neutrinos y posiblemente los gravitones, pero son partículas sin masa.

Una historia que circula por Internet desde hace muchos años cuenta que nuestro Sol forma parte de las Pléyades, que son un grupo de estrellas muy jóvenes que se encuentran a 450 años luz de la Tierra y que pertenecen a la constelación de Tauro. Este grupo de estrellas gira alrededor de Alcyon, la estrella más grande del grupo. El Sol tardaría 24.000 años en completar una órbita completa alrededor de Alcyon. Alrededor de esta estrella existiría un anillo de fotones que sería atravesado dos veces por el Sol en cada órbita, tardando cada vez 2000 años. Durante estos 2.000 años nuestro planeta estará continuamente bajo una iluminación omnidireccional permanente, que no producirá sombras. Los efectos de esta radiación fotónica serían entre otros el de la aparición de una nueva glaciación, disminución de la velocidad de rotación de la Tierra y cambio del eje de rotación.

Nadie sabe de dónde vino la sustancia del universo, no siempre la ciencia puede dar respuesta a todo, es la manera de regular los sistemas para obtener respuestas tras el duro trabajo del estudio, la investigación y el experimento. Hasta el momento nos falta información para contestar, no sólo esa pregunta, sino muchas otras que, como ¿qué es y de dónde sale la “materia oscura”? -si es que realmente existe-, ¿qué es realmente una singularidad? -si es que eso existe-, ¿dónde están los bosones de higgs? -si realmente están-, y, tantas otras preguntas sin respuestas…¡de momento!

Claro que, nuestra imaginación no tiene límites y hasta hemos pensado en la posible existencia de la materia extraña. La Hipótesis de estrella de Quarks (EQs) podrían responder a muchos interrogantes surgidos a partir de observaciones astrofísicas que no coinciden con los modelos canónicos teóricos de las Estrellas de Neutrones ( ENs ). Decimos que son hipotéticas porque se conjetura que estarían formadas por Materia Extraña ( ME ). La comunidad astrofísica espera evidencias observacionales que permitan diferenciarlas de las ENs, ya que podrían explicar un conjunto de observaciones astronómicas que aún resultan una incógnita. Es sabido que una EN es el remanente del colapso de una estrella masiva. El colapso de la estrella, la supernova, da lugar a un núcleo compacto hiperdenso de hierro y otros metales pesados que sigue comprimiéndose y calentándose. Su densidad continúa aumentando, dando lugar a una “neutronización“ (recombinación de electrones con protones que resultan en neutrones) y el gas degenerado de neutrones frena el colapso del remanente.

Una EQ, a diferencia de una EN, no se originaría necesariamente de una evolución estelar después del agotamiento del combustible nuclear de una estrella normal. Sería, probablemente, producto de la transición de fase hadrón-quark a altísima densidad. La Cromodinámica Cuántica (CDC), la Teoría de las Interacciones Fuertes que ocurren dentro de los nucleones  (protones y neutrones), concibe teóricamente la idea de la transición de fase hadrón-quark a temperaturas y/ o densidades extremadamente altas con el consecuente desconfinamiento de quarks y gluones, que formarían una especie de “sopa “. Sin embargo, los quarks libres no se han encontrado aún, en uno u otro límite, en ningún experimento terrestre.

La “sopa“ que mencionamos antes, se conoce como Plasma Quark-Gluón ( PQG ). En el límite de altas temperaturas, el PQG está tratando de obtenerse en el laboratorio y existen fuertes indicios de que se logre con éxito experimentos de altas energías como el Colisionador Relativista de Iones Pesados (conocido por sus siglas en ingles como RHIC) de Brookhaven, New York.

Por otro lado, se espera que a través de observaciones astronómicas se compruebe que la transición a altas densidades se hubiese producido en el interior de alguna EN. Esto se debe a que los valores de densidades estimados para que dicha transición tuviese lugar coinciden con densidades del orden de (3 exp. – 12) ρ0 (siendo ρ0 ̃ 0, 17 fmˉ ³ la densidad de equilibrio nuclear) que son típicas del interior de las ENs. Los cálculos basados en diferentes ecuaciones de estado de la materia nuclear muestran estos resultados, por lo que sería razonable que el núcleo de las ENs estuviese formado por materia de quarks.

Recientemente, la relación entre campo magnéticos y materia densa está atrayendo la atención de los astrofísicos, especialmente después de las observaciones de emisiones peculiares de pulsares anómalos de rayos X, que se interpretan como ENs en rotación, y de emisiones de radiación γ de baja energía de los llamados repetidores de rayos γ suaves ( SGRs – soƒt gamma-ray repeaters ). El motor central de esas radiaciones podría ser un campo magnético mayor que 4 x 10¹³ Gauss, que es el campo crítico previsto por la Electrodinámica Cuántica.

Muchas observaciones astronómicas indirectas sólo se explicarían a través de la existencia de campos magnéticos muy intensos en los núcleos de ENs  en EQs, de manera que el papel que juega el campo magnético en la ME aún constituye un problema abierto y de sumo interés en la Astrofísica.

En particular, en un trabajo reciente, se ha analizado la ME considerando neutralidad de carga, equilibrio β y conservación del número bariónico. En dicho trabajo se obtuvo una cota superior para el valor del campo magnético que determina una transición de fase cuya explicación requiere ser estudiada en profundidad ya que sería independiente de la interacción fuerte entre los quarks. También se ha comprobado que la presencia de de campos magnéticos intensos favorece la estabilidad de la ME.

Por otro lado, estudios teóricos han demostrado que si la materia es suficientemente densa, la materia de quark deconfinada podría estar en un estado superconductor de color. Este estado estaría formado por pares de quarks, análogos a los pares de Cooper (constituidos por electrones) existentes en los superconductores ordinarios.

Los quarks, a diferencia de los electrones, poseen grados de libertad asociados con el color, el sabor y el espín. Por este motivo, dependiendo del rango de densidades en el cual estamos trabajando, algunos patrones de apareamiento pueden verse favorecidos generando la aparición de distintas fases superconductoras de color. Según estudios teóricos, la fase superconductora más favorecida a densidades extremadamente altas sería la Color Flavor Locked (CFL), en la cual los quarks u, d y s poseen igual momento de Fermi, y en el apareamiento participan los tres colores y las dos proyecciones de espín de cada uno de ellos. Estudios recientes sobre la fase CFL han incluido los efectos de campos magnéticos intensos, obteniendo que bajo determinadas condiciones el gas superconductor, que corresponde a la separación entre bandas de energía en el espectro fermiónico, crece con la intensidad del campo. A esta fase se la llama Magnetic Color Flavor Locked (MCFL).

Son muchos los misterios quen contiene el Universo y, nosotros, debemos recorrer los caminos para desvelarlos. Estamos siempre a la búsqueda de ¿cuerdas? ¿bosones que proporcionan la masa a las otras partículas? ¿energías de punto cero? ¿matería de quarks?

En la superconductividad electromagnética usual, un campo magnético suficientemente fuerte destruye el estado superconductor. Para la superconductividad de color no existe aún un consenso de cómo, la presencia del campo magnético, podría afectar al apareamiento entre los quarks.

En este trabajo describiremos brevemente la materia extraña, con el objetivo de explicar su formación en el interior de una EN y entender la composición y características de una EQ. Posteriormente, utilizaremos el modelo fenomenológico de bag del Massachussets Institute of Technology (MIT) para encontrar las ecuaciones de estado de la ME en condiciones determinadas, comprobando la estabilidad de la misma, frente a la materia de quarks ordinaria formada sólo por quarks u y d. Presentaremos, además, algunas candidatas posibles a EQs según observaciones astrofísicas. Por último, trataremos de entender la superconductividad de color y la influencia del campo magnético intenso en las fases superconductoras.

Uno de los mayores logros alcanzados por los físicos en el último siglo, fue la construcción del Modelo Estándar en la física de partículas elementales. Este modelo sostiene que la materia en el Universo está compuesta por fermiones,  divididos en quarks y leptones, que interactúan a través de los llamados bosones de calibre: el fotón (interacción electromagnética), los bosones W± y Zº (interacción débil), y 8 tipos de gluones (interacción fuerte). Junto con los bosones de calibre, existen tres generaciones de fermiones: ( v e, e ), u, d ); ( vµ, µ ), ( c, s ) ; ( v….); y sus respectivas antipartículas. Cada “ sabor “ de los quark, up ( u ), down ( d ), charme ( c ), strange ( s , top ( t ) y bottom ( b), tiene tres colores ( el color y el sabor son números cuánticos ). La partícula que aún no ha sido descubierta experimentalmente es el boson de Higgs,  que cabe suponer sería responsable del origen de la masa de las partículas.

En 1971 A.R. Bodmer propuso que la ME es más estable que el Fe, que es el más estable de todos los núcleos ordinarios. Por lo tanto, según su hipótesis, la ME constituía el estado más fundamental de la materia. En la Naturaleza, la presencia de núcleos atómicos ordinarios. Por lo tanto, según su hipótesis, la ME constituía el estado más fundamental de la materia. En la Naturaleza, la presencia de núcleos atómicos ordinarios no se halla en contradicción con la mayor estabilidad que presenta la ME. Esto se debe a que la conversión de un núcleo atómico en ME, requiere que se transformen quarks u y d en quarks extraños s. La probabilidad de que esto ocurra involucra una transición débil que hace que los núcleos con peso atómico A ≥ 6 sean estables por más de 10 exp60. Años. De manera que si la hipótesis de la ME fuera correcta, estaríamos en presencia del estado más estable de la materia hadrónica y para su formación se necesitaría un ambiente rico en quarks  s o la formación de un PQG, Como ya mencionamos, podríamos alcanzar dicho estado en las colisiones de iones pesados relativistas, segundos después del Big Bang en el Universo primordial y en el interior de las Ens.

¿Se podría dar la Formación de Materia Extraña en una Estrella de Neutrones?

Inmediatamente después de la transición de fase hadrónquark en el interior de la estrella, no existe una configuración de equilibrio químico entre los quarks.  Esto puede entenderse de la siguiente forma: en el punto de transición, la materia bariónica predominante son los quarks u y d con una pequeña cantidad de electrones.  Así, la densidad del quark d es aproximadamente dos veces la densidad del quark u, Nd ~ 2Nu, debido al hecho de que la materia en las estrellas compactas es eléctricamente neutra. Por el principio de exclusión de Pauli, sería energéticamente más favorable para los quarks d decaer en quarks s hasta restablecer el equilibrio entre sabores vía interacciones débiles. Dado que la densidad bariónica de la materia de quarks en el interior de la estrella sería ~ 5ρ0, los potenciales químicos de los quarks deberían ser grandes respecto de las masas. Esto implicaría que las densidades de los quarks fueran prácticamente iguales. De esta forma, la configuración más estable en el interior de la EN, sería un núcleo de ME con una densidad bariónica Nb = Ni ( i= u , d, s ). Si el interior de una EN estuviese compuesto por ME, cabe entonces preguntarnos: ¿podría transformarse una EN en una EQ?

EQs: Formación y características:

Para los astrónomos ha quedado bien establecido que el remanente estelar después de la explosión de una supernova podría resultar ser una  Enana Blanca, una En o un Agujero Negro, dependiendo de la masa de la estrella de origen. Observaciones astronómicas recientes sugieren un remanente aún más exótico: las EQs. La idea de la existencia de estas estrellas apareció en 1969, cinco años después de la predicción de Gell- Mann de la existencia de los quarks. En el año 1984, Farhi y Jaffe, basándose en el modelo de bag del MIT, mostraron en sus cálculos que la energía por barión de la ME era menor que la del núcleo atómico más estable, el Fe. Esto daba mayor solidez a la hipótesis de Bodmer- Witten e inmediatamente se comenzaron a desarrollar modelos teóricos de Eqs. En el año 2002, el Observatorio de Rayos X Chandra, de la NASA, reportó el descubrimiento de dos estrellas candidatas a ser Eqs.

Para que una EN se transforme en una EQ pura, necesitamos algún mecanismo mediante el cual su densidad aumente cada vez más. Pensemos, por ejemplo, que la EN forma parte de un sistema binario. Para considerar que dos estrellas están en un sistema binario, debe analizarse su proximidad comparando el tamaño de las mismas con el radio del lóbulo de Roche, que es la región que define el campo de la acción gravitatoria de una estrella sobre otra.

Si el radio de cada estrella es menor que el lóbulo de Roche, las estrellas están desconectadas. Por el contrario, si una de ellas llena el lóbulo de Roche, el sistema es semiconectado y la materia puede fluir a través del punto de Lagrange interno. El potencial gravitatorio de un sistema binario se consume la masa de la estrella compañera. Cuando la masa de la EN alcanza el valor de ~2 M  (M corresponde a la masa solar), sufre un colapso gravitatorio, pudiéndose transformar en una EQ.

¿Podría el colapso de una supernova dar origen a la formación de una EQ? Esta pregunta nos conduce a otra hipótesis teórica acerca de la formación de la EN, hay conservación del momento angular. La proto-estrella de neutrones tiene una fracción pequeña de su radio original, que era el de la supernova, por lo que su momento de inercia se reduce bruscamente. Como resultado, la EN se forma con una altísima velocidad de rotación  que disminuye gradualmente. Los períodos de rotación se hacen cada vez más largos debido a la pérdida de energía rotacional por la emisión de vientos de electrones y positrones y de la radiación bipolar  electromagnética. Cuando la alta frecuencia de rotación o el campo electromagnético alcanzan un valor crítico, la EN se transforma en un pulsar que emite pulsos del orden de los milisegundos. Debido a la enorme fuerza centrífuga en estos objetos, la estructura interna se modifica, pudiendo alcanzar una densidad crítica por encima de la que corresponde a la transición de fase hadrón-quark. En estas condiciones, la fase de materia nuclear relativamente incomprensible se convertiría en la fase de ME, más comprensible, cuyo resultado final sería la aparición de una EQ.

La identificación de una EQ requiere señales observacionales consistentes. Con esto nos referimos a propiedades físicas de la estrella tales como su masa máxima, radio, período mínimo de rotación, enfriamiento por emisión de neutrinos. Todas estas propiedades dependen de una única ecuación de estado para la materia densa de quarks que aún no ha sido completamente establecida. Sin embargo, existe un rango de valores aceptados para las cantidades antes mencionadas, con base en datos observacionales recientes, que marcarían importantes diferencias entre las posibles Eqs y los demás objetos compactos.

Un rasgo característico de las Eqs es que la materia no se mantendría unida por la atracción  gravitacional, como ocurre en las Ens, sino que sería consecuencia directa de la interacción fuerte entre los quarks. En este caso, la estrella se dice autoligada. Esto implica una diferencia sustancial entre las ecuaciones de estado para las dos clases de estrellas. Las correcciones perturbativas a la ecuación de estado de la materia de quarks y los efectos de superconductividad de color complican aun más este punto. Otra característica para poder diferenciar las Eqs de las Ens es la relación entre su masa M y el radio R. Mientras que para una EQ, M ~ R³. De acuerdo con esta relación, las Eqs tendrían radios más pequeños que los que usualmente se le atribuyen a las Ens. Además, las Eqs violarían el llamado límite de Eddington. Arthur Eddington (1882-1994) observó que las fuerzas debido a la radiación y a la gravitación de las estrellas normales dependían del inverso del cuadrado de la distancia. Supuso, entonces, que ambas fuerzas podían estar relacionadas de algún modo, compensándose para que la estrella fuera más estable. Para estrellas de altísima masa, la presión de radiación es la dominante frente  a la gravitatoria. Sin embargo, debería existir una presión de radiación máxima para la cual la fuerza expansiva debido a la radiación se equilibrara con la gravedad local. Para una estrella normal, el límite de Eddington está dado por una ecuación que omito para no hacer más complejo el tema.

Para cualquier valor de radiación que supere este límite, no habrá equilibrio hidrostático, causando la pérdida de masa de la estrella normal. El mecanismo de emisión en una EQ produciría luminosidades por encima de dicho límite. Una posible explicación a este hecho sería que la EQ es autoligada y por lo tanto su superficie alcanzaría temperaturas altísimas con la consecuente emisión térmica.

Por otro lado, una alternativa para explicar algunas observaciones de destellos de rayos γ, sería suponer que las emisiones provienen de Eqs con radios R ~ 6 km, valores demasiados pequeños si pensáramos que los destellos provienen de ENs.

En esta última parte, hemos presentado algunas características de las Eqs que las diferenciarían de las Ens. Futuras evidencias experimentales y observacionales nos permitirían saber si las Eqs realmente existen en la naturaleza.

¡El Universo! ¡Es tan grande y maravilloso! ¡Nos queda tanto por descubrir!

emilio silvera

Muchas han sido las fuentes consultadas entre las que cabría destacar la Revista de la RSEF.

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La astronomía es el estudio de los cuerpos celestes , sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, y es, sin duda, la ciencia más antigua . Puede decirse que nació con el hombre y que está íntimamente ligada a su naturaleza del Ser pensante, a su deseo de medir el tiempo, de poner orden en las cosas conocidas ( o que cree conocer ), a su necesidad de hallar una dirección, de orientarse en sus viajes, de organizar las labores agrícolas o de dominar la naturaleza y las estaciones y planificar el futuro.

Los hallazgos arqueológicos más antiguos muestran sorprendentes contenidos astronómicos. Stonehenge se construyó sobre conocimientos astronómicos muy precisos. También se desprende una función astronómica de la disposición de los crómlech y monolitos bretones, los trilitos ingleses, las piedras  y túmulos irlandeses, la medicine Wheel de los indios norteamericanos, o la Casa Rinconada de los indios anasazi. Es evidente la importancia astronómico-religiosa de los yacimientos mayas  de Uaxactun, Copán y Caracol, de las construcciones incas de Cuzco o de Machu Picchu, así como la función exquisitamente científica de antiguos observatorios astronómicos indios, árabes o chinos.

Muchos son los vestigios de todo tipo, de las distintas culturas que, relacionados con la Astronomía nos hablan del interés, que desde siempre, han sentido todas las Civilizaciones por el conocimiento de la Naturaleza y los fenómenos que podían observar con el ojo desnudo. Ellos buscaron sus significados y, aunque no siempre le daban su verdadera procedencia, poco a poco se fue avanzando en ese camino que siempre desembocará en la verdad de los hechos que hemos podido observar primero e imaginar después.

Cuanto más avanzan los estudios arqueoastronómicos más numerosas son las pruebas de los conocimientos astronómicos  de nuestros antepasados y más retrocede la fecha en que estos comenzaron. El último indicio relaciona el estudio del cielo con las pinturas rupestres de Lascaux. Tanto si este descubrimiento es válido como si no, es indudable que la contemplación del cielo nocturno ha suscitado admiración, temor e interrogantes desde la noche de los tiempos ¿ Cuál es la naturaleza de los cuerpos celestes?¿ Por qué se mueven ? ¿ Cómo se mueven ? ¿ Interaccionan entre sí ? Pero,sobre todo, ¿influyen en la Tierra y en el destino de sus habitantes? ¿ Podemos prever dichos efectos y leer el futuro en el movimiento de los planetas? Todas las civilizaciones de todas las épocas han hallado sus propias respuestas a estas preguntas y a otras similares, y a menudo se ha tratado de respuestas relacionadas con complejos mitos cosmológicos.

Muchos monumentos relacionados con la Astronomía se instalaron en Mesoamérica, alrededor del 3000 ac., en las tierras altas de Guatemala, luego en las tierras bajas de Guatemala y Chiapas en México. Las ciudades más importantes del período clásico fueron Uaxactún y Tikal (aproximadamente en el 1800 a.C.). En la etapa posclásica, se destacaron las ciudades de Chichén ltzá, Mayapan o Uxamal, en la península de Yucatán.

Pero, vayamos por parte. Los primeros astrónomos fueron los sumerios, quienes dejaron constancia escrita de su historia en tablillas de arcilla. Pero no fueron los primeros que apreciaron que ciertos puntos luminosos de la bóveda celestese desplazaban con el paso del tiempo, mientras que otros permanecían fijos. En la actualidad la distinción que hicieron entre ” estrellas fijas ” y ” estrellas errantes ” ( en griego se llamarían ” planetas ” ) puede parecer banal, pero hace 6.000 o 8.000 años este descubrimiento fue un acontecimiento muy significativo.

Distinguir a simple vista, sin la ayuda de instrumentos, un planeta de una estrella y reconocerlo cada vez que, transcurrida ciertas horas, vuelve a aparecer en el cielo no es ninguna nimiedad. Los incrédulos pueden comprobarlo: sin sabe nada de astronomía , sin ningún instrumento, bajo un cielo repleto de estrellas como esos que ya sólo se ven en lugares aislados o en mitad del mar, no es fácil distinguir Marte de Júpiter o de Saturno.

Admitamos que se consigue. Ahora, noche tras noche, hay que encontrar esa misma lucecita en movimiento, seguir su recorrido y volver a identificarla cada vez que reaparezca tras una larga ausencia. En el mejor de los casos, se necesitará mucho tiempo y paciencia antes de empezar a tomar conciencia de la orientación, y es muy probable que la mayoría no lo consiga.

A pesar de esas dificultades evidentes, todos los pueblos, por antiguos que fueran conocían muy bien los movimientos de los astros, tan regulares que espontáneamente hablaron de “mecánica celeste”  cuando empezaron a usar las matemáticas para describirlos. Si los sumerios fueron los primeros en medir con exactitud los movimientos planetarios y en prever los eclipses de Luna organizando un calendario perfecto, los que mejor usaron la imaginación para llegar a las explicaciones teóricas que no dependieran sólo de la tecnología fueron los griegos.

Tales de Mileto fue el primero que dejó de lado la mitología para emplear la lógica y cuentan que, una noche caminaba  mirando las estrellas y cayó a un hoyo en el suelo. También este sabio de la antigua Grecia fue el primero en mencionar la importancia del agua para la vida.

En el siglo VI a.C., tras milenios en los que la obra de un dios bastaba para explicarlo todo, se empezó a buscar una lógica en el orden natural que relacionara los fenómenos. Los filósofos naturalistas fueron los pioneros en afirmar la posibilidad del hombre de comprender y describir la naturaleza usando la mente. Era, en verdad, una idea innovadora.

                          Tales deMileto

Los primeros  “científicos ” se reunieron en Mileto. Tales, Anaximandro y Anaxímenes hicieron observaciones astronómicas con el gnomon, diseñaron cartas naúticas, plantearon hipótesis más o menos relacionadas con los hechos observados referidas a la estructura de la Tierra, la naturaleza de los planetas y las estrellas, las leyes seguidas por los astros en sus movimientos. En Mileto, la ciencia, entendida como interpretación racional de las observaciones, dio los primeros pasos.

Por supuesto, la mayor parte de la humanidad continuaba creyendo en dioses y espíritus … ¡como ahora! A pesar de que esta nueva actitud filosófica frente al mundo sólo fuera entendida durante siglos por una élite de pensadores, la investigación racional de la naturaleza ya no se detendría.

En el siglo VI se constituyó la escuela pitagórica. En un ambiente de secta, Pitágoras y otros filósofos creyeron que el mundo estaba ordenado por dos principios antagónicos: lo finito ( el bien, el cosmos y el orden ) y lo infinito ( el mal, el caos y el desorden). Sus estudios matemáticos tenían un valor mágico y simbólico: Pitágoras descubrió relaciones numéricas enteras tras cada armonía formal y musical y, dado que la música es armonía de los números, la astronomía era armonía de las formas geométricas.

Eudoxo de Cnidos

“Su fama se debe a la invención de la esfera celeste basada en un modelo matemático y a los ensayos que hizo para comprender el movimiento de los planetas, movimientos que recreó construyendo un modelo de esferas concéntricas que representaban las estrellas fijas, la Tierra, los planetas conocidos, el Sol y la Luna, y dividió la esfera celeste en grados de latitud y longitud.”

Incluso Aristóteles ( 384-322 a.C.), considerado en la Edad Media el máximo referente del saber, no sólo se apropió de esta idea de perfección celeste, sino que encontró una ” explicación ” de por qué ” las cosas debían ser así. La Tierra, lugar ” de lo bajo ” donde convergen tierra y agua ( dos de los cinco elementos que formaban el universo), sólo podía hallarse en el centro del Universo. El aire y el fuego quedaban ” arriba “, sus lugares naturales. El éter, el quinto elemento desconocido para los hombres , formaba los cuerpos celestes, que por naturaleza se movían en círculo, transportados por un sistema de 55 esferas concéntricas constituidas de un cristal especial, incorruptible y eterno. En torno a la Tierra inmóvil giraban la Luna, Mercurio, Venus, el Sol, Marte, Júpiter, Saturno y la última esfera de las estrellas fijas, mantenida en movimiento por el amor del ” divino motor inmóvil “. Esta última esfera es la que establecía el ritmo del sía y la noche y transmitía un movimiento uniforme y circular a todo el sistema de esferas. Según la teoría, a medida que nos aproximamos a la Tierra el movimiento se degrada y, por debajo de la esfera de la Luna, los movimientos son rectilíneos. Aquí la mezcla continua de los cuatro elementos fundamentales daba origen a todas sustancias conocidas. Era una explicación que convenció durante mucho tiempo y que armonizaba misticismo y física, mecánica celeste y fantasía.

El prestigio y la fama que Aristóteles conquistó en otros campos ( filosofía, política, economía, física, metafísica y ciencias naturales ) contribuyó al éxito de esta idea geocéntrica del universo. No cabe duda de que en el siglo IV a.C. ya se sabía que para explicar los movimientos de los astros había que utilizar al menos dos tipos de sistemas geocéntricos y un sistema heliocéntrico. Para obtener la información necesaria para gobernantes , agricultores o navegantes bastaba con poder ” prever ” los fenómenos celestes e identificar las configuraciones astrales hallando los planetas en su órbita. Las hipótesis sobre las causas de todo lo que se observaba eran investigaciones filosóficas, carentes de pruebas concretas. Así, muchos expertos lanzaron hipótesis sobre el universo, su estructura y sus mecanismos…A veces eran fantasías, pero otras fueron intuiciones correctas.

Hubo quien incluso decidió medir. Aristarco de Samos ( 310-230 a.C. ) fue el primer astrónomo genuino de la historia. No sólo sus convicciones eran lógicas y correctas , como se demostró más tarde , sino que fue el primero en usar instrumentos matemáticos para investigar el cosmos. Estaba convencido de que la Tierra giraba alrededor del Sol permanecía inmóvil en el centro de la esfera estelar y que esta también era inmóvil. Dado que no conseguía observar efectos de paralajes estelares, dedujo que las estrellas se encontraban a una distancia enorme de la Tierra. Entonces intentó medir la enormidad de dicho espacio estableciendo la distancia Tierra-Sol en función de la Tierra-Luna y, para ello, se basó en la medida de los ángulos y en simples cálculos geométricos. Descubrió que la Luna se halla a 30 diámetros terrestres de nuestro planeta y que el Sol está 19 veces más lejos ( 1.140 diámetros terrestres ). Ahora sabemos que son datos erróneos a causa de leves inexactitudes de las medidas ” a ojo “, pero esta diferencia no respeta un ápice a la importancia conceptual y filosófica del enfoque. Era la primera vez en la historia que alguien intentaba aumentar sus conocimientos sobre el Universo de forma experimental, es decir, usando la lógica, las leyes matemáticas y geométricas conocidas, observando y midiendo. Es un enfoque moderno de un complejo problema astronómico.

     Aristarco de Samos (Óleo de Domenico Fetti)

Erastóstenes de Cirene ( 276-194 a.C. ) procedió de forma semejante. Con un sencillo y genial cálculo matemático halló las dimensiones de nuestro planeta: el meridiano terrestre equivale a, unos 39.400 km ( un valor sorprendentemente cercano al valor medio, establecido en 40.009 km).

Hiparlo ( 188-125 a.C.) también fue un atento e inteligente observador. Compiló un catálogo de 1.080 posiciones estelares y comparó sus observaciones con las realizadas 154 años antes por Timocaris. Así descubrió la precisión de los de equinoccios y cuantificó este lentísimo desfase de la eclíptica respecto al ecuador en unos 47 minutos al año ( un valor muy parecido al calculado hoy: 50,1 minutos).

Y si la Tierra era inmensa, el Sol debía de serlo aún más. Así, el espacio asumió dimensiones incalculables. Pocos escogidos eran capaces de asimilar y aceptar estas afirmaciones revolucionarias. Quizá por ello, después de Hiparlo no sucedió nada más durante 300 años. Resultaba más sencillo dar por válidas las teorías del gran Aristóteles.

Enseñó matemáticas a Euxodo de Cnidos, siendo a su vez maestro de Menecmo.  Fue la primera persona en lograr una buena aproximación al problema de laDuplicación del Cubo,   y uno de los primeros que, tras Pitágoras, trabajó en el conocimiento conjunto de la Aritmética, Geometría, Astronomía y Músuca,el Quadrivium, así como de la Acústica, acotando las matemáticas a disciplinas técnicas, con la cuales se cree haya inventado la polea, el tornillo (aunque no se lo que diría Arquímedes de eso)  y una especie de mecanismo articulado con alas con el que, aunque sin éxito, intentó volar. Influenció a Euclides.

Bueno, podríamos finalizar diciendo que, en el siglo VI a. C. se desarrolló al este del mediterráneo el futuro germen de la investigación científica moderna, gracias al impulso que los antiguos griegos dieron al desarrollo del pensamiento abstracto que ellos supieron recopilar, ampliar  y conservar a partir de culturas y civilizaciones anteriores que ya, en aquellos tiempos remotos, sentían la necesidad de saber.

¡Tenemos que mirar hacia atrás para saber, quienes somos!

emilio silvera

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

Aurora boreal

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El modelo que tenenos de la física de partículas se llama Modelo Estándard y, nos habla de las interacciones entre partículas y las fuerzas o interraciones que están presentes, las leyes que rigen el Universo físico y que, no hemos podido completar al no poder incluir una de las fuerzas: La Gravedad. Claro que, no es esa la única carencia del Modelo, tiene algunas más y, a estas alturas, se va necesitando un nuevo Modelo, más completo y audaz, que incluya a todas las fuerzas y que no tengá parámetros aleatorios allí donde nuestros conocimientos no llegan.

La fealdad del Modelo Estándar puede contrastarse con la simplicidad de las ecuaciones de Einstein, en las que todo se deducía de primeros principios. Para comprender el contraste estético entre el Modelo Estándar y la teoría de la relatividad general de Einstein debemos comprender que, cuando los físicos hablan de “belleza” en sus teorías, realmente quieren decir que estas “bellas” teorías deben poseer al menos dos características esenciales:

1. Una simetría unificadora.
2. La capacidad de explicar grandes cantidades de datos experimentales con las expresiones matemáticas más económicas.

E = mc² . Esta es la mejor prueba de lo que decimos arriba.

El Modelo Estándar falla en ambos aspectos, mientras que la relatividad general los exhibe, ambos, de manera bien patente. Nunca una teoría dijo tanto con tan poco; su sencillez es asombrosa y su profundidad increíble.De hecho, desde que se publicó en 1.915, no ha dejado de dar frutas, y aún no se han obtenido de ella todos los mensajes que contiene.

El principio director del modelo estándar dicta que sus ecuaciones son simétricas. De igual modo que una esfera ofrece el mismo aspecto desde cualquier punto de vista, las ecuaciones del modelo estándar subsisten sin variación al cambiar la perspectiva desde la que son definidas. Las ecuaciones permanecen invariables, además, cuando esta perspectiva se desplaza en distinta magnitud a diferentes puntos del espacio y el tiempo.

Al contrario de la relatividad general, la simetría del Modelo Estándar, está realmente formada empalmando tres simetrías más pequeñas, una por cada una de las fuerzas; el modelo es espeso e incómodo en su forma. Ciertamente no es económica en modo alguno. Por ejemplo, las ecuaciones de Einstein, escritas en su totalidad, sólo ocupan unos centímetros y ni siquiera llenaría una línea de esta página. A partir de esta escasa línea de ecuaciones, podemos ir más allá de las leyes de Newton y derivar la distorsión del espacio, el Big Bang y otros fenómenos astronómicos importantes como los agujeros negros. Por el contrario, sólo escribir el Modelo Estándar en su totalidad requeriría, siendo escueto, un par de páginas  y parecería un galimatías de símbolos complejos sólo entendibles por expertos.

Los científicos quieren creer que la naturaleza prefiere la economía en sus creaciones y que siempre parece evitar redundancias innecesarias al crear estructuras físicas, biológicas y químicas.

La luz antigua absorbida por átomos de hidrógeno neutro podría usarse para probar ciertas predicciones de la Teoría de Cuerdas, dicen los cosmólogos de la Universidad de Illinois. Realizar tales medidas, sin embargo, requeriría que se construyese un gigantesco conjunto de radio telescopios en la Tierra, el espacio, o la Luna.

El matemático francés Henri Poincaré lo expresó de forma aún más franca cuando escribió: “El científico no estudia la Naturaleza porque es útil; la estudia porque disfruta con ello, y disfruta con ello porque es bella”

E. Rutherford, quien descubrió el núcleo del átomo (entre otras muchas cosas), dijo una vez: “Toda ciencia es o física o coleccionar sello”.Se refería a la enorme importancia que tiene la física para la ciencia, aunque se le olvidó mencionar que la física está sostenida por las matemáticas que la explica.

Pero, a pesar de todos sus inconvenientes, el Modelo Estándar, desde su implantación, ha cosechado un éxito tras otro, con sus inconvenientes y sus diecinueve parámetros aleatorios, lo cierto es que es lo mejor que tenemos por el momento para explicar las familias de partículas que conforman la materia y cómo actúan las fuerzas de la naturaleza, todas las fuerzas menos la gravedad; esa nos la explica a la perfección y sin fisuras las ecuaciones de Einstein de la relatividad general.

Hace tiempo que los físicos tratan de mejorar el Modelo Estándar con otras teorías más avanzadas y modernas que puedan explicar la materia y el espacio-tiempo con mayor amplitud y, sobre todo, incluyendo la gravedad.Así que retomando la teoría de Kaluza de la quinta dimensión, se propuso la teoría de supergravedad en 1.976 por los físicos Daniel Freedman, Sergio Ferrara y Peter van Nieuwenhuizen, de la Universidad del Estado de Nueva York en Stoney Brook que desarrollaron esta nueva teoría en un espacio de once dimensiones.

Para desarrollar la superteoría de Kaluza-Klein en once dimensiones, uno tiene que incrementarenormemente las componentes del interior del Tensor métrico de Riemann (que Einstein utilizó en cuatro dimensiones, tres de espacio y una de tiempo para su relatividad general y más tarde, Kaluza, añadiendo otra dimensión de espacio, la llevó hasta la quinta dimensión haciendo así posible unir la teoría de Einstein de la gravedad, con la teoría de Maxwell del electromagnetismo), que ahora se convierte en el supertensor métrico de Riemann.

Hasta hoy, no se ha logrado, ni mucho menos, inventar una teoría de campo consistente totalmente unificadora que incluya la gravedad. Se han dado grandes pasos, pero las brechas «científicounificantes» siguen siendo amplias. El punto de partida ha sido siempre la teoría de la relatividad general y conceptos con ella relacionados, por la excelencia que manifiesta esa teoría para explicar la física gravitatoria macrocósmica. El problema que se presenta surge de la necesidad de modificar esta teoría sin perder por ello las predicciones ya probadas de la gravedad a gran escala y resolver al mismo tiempo los problemas de la gravedad cuántica en distancias cortas y de la unificación de la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza.

Su tensor métrico es un tensor de rango 2 que se utiliza para definir … Sin embargo, en otras teorías se ha elevado el rango y se pueden definir múltiples universos de dimensiones más altas.

El tensor métrico se podría adaptar a las necesidades de la búsqueda estableciendo la multiplicidad de dimensiones que la teoría exigía para su desarrollo.

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

Más allá de lo que nos permiten captar nuestros sentidos físicos, hay que tener nuestra mente abierta a la posibilidad de que puedan existir otras realidades diferentes a lo que nos dicta nuestra experiencia, realidades capaces de ser descubiertas por la fuerza del intelecto cuando nos atrevemos a cuestionar aquello que creíamos como absoluto.

Esta nueva teoría de supergravedad pretendía la unificación de todas las fuerzas conocidas con la materia, y, como en un rompecabezas, encajarlas en el Tensor de Riemann tan solo con elevar el número de dimensiones que exigía más componentes y nos daba el espacio necesario para poder ubicar en sus apartados correspondientes, todas las fuerzas fundamentales y también la materia, la que podía satisfacer, casi en su totalidad, el sueño de Einstein.

A partir de aquí, de estas ecuaciones, surgió todo. Este fue el puerto de donde salió el bajel de la de Kaluza-Gleim, la supergravedad y supersimetría, la cuerda heterótica y la Teoría de cuerdas, todo ello, rematado con la finalmente expuesta, teoría M.

La supergravedad casi consigue satisfacer el sueño de Einstein de dar una derivación puramente geométrica de todas las fuerzas y partículas del universo. Al añadir la supersimetría al Tensor métrico de Riemann, la métrica se duplica en tamaño, dándonos la supersimetría de Riemann. Las nuevas componentes del súper tensor de Riemann corresponden a quarks y leptones, casi todas las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza: la teoría de la gravedad de Einstein, los campos de Yang-Mills y de Maxwell y los quarks y leptones. Pero el hecho de que ciertas partículas no estén en esta imagen nos obliga a buscar un formalismo más potente:

La materia con todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los bosones intermediarios o partículas portadoras de las fuerzas como el fotón para el electromagnetismo, los gluones para la fuerza nuclear fuerte, las partículas W y Z para la nuclear débil y, en la partícula portadora de la gravedad, el gravitón, ponemos el signo de interrogación, ya que se sabe que esta ahí en algún sitio pero hasta la fecha no ha sido detectado.

Antes de continuar con la teoría de supercuerdas, o con su versión más avanzada la teoría M, parece conveniente recordar que hasta el momento los ladrillos del universo eran los quarks, las partículas más pequeñas detectadas en los aceleradores del CERN y FERMILAB. Pero ¿están hechos de cosas más pequeñas?, eso no lo sabemos. El Modelo Estándar, menos avanzado que las otras teorías, nos dice que los quarks son las partículas más pequeñas y forman protones y neutrones constituyendo la formación interna del átomo, el núcleo. En la actualidad, nuestros aceleradores de partículas no tienen capacidad para ahondar más allá de los quarks y averiguar si a su vez, éstos están formados por partículas aún más pequeñas.

No podemos saber (aún) que es lo que pueda haber (si es que lo hay) más allá de los Quarks, los constituyentes de la materia más pequeños conocidos hasta el momento actual. Sin embargo, no se descarta que puedan existir partículas más simples dentro de los Quarks que, al fin y al cabo, no serían tan elementales.

Por otro lado, los físicos están casi seguros de que los leptones no están compuestos de partículas más pequeñas. Sin embargo, esta sospecha no se tiene en el caso de los quarks; no se sabe qué puede haber detrás de ellos.Tan sólo se ha llegado a desconfinarlos junto con los gluones y por un breve periodo de tiempo de los protones y neutrones que los mantenían aprisionados, formando – en esos breves instantes – una materia plasmosa. No es raro oir dentro de la comunidad científica a los físicos teóricos hablando de prequarks.

Como antes hemos comentado de pasada, el Modelo Estándar agrupa las partículas en familias:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

               Desplazarmos burlando la velocidad de la luz

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

                   Que no es un elemento natural

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

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

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

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

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

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

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

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

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

emilio silvera

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