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

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

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

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

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

Gráfica de la ruptura de simetría espontánea de la función

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

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

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

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

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

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

                           El Universo temprano

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

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

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

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

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

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

¿Qué son las fuerzas?

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

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

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

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

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

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

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

Realmente, cuando te acercas a la Naturaleza, las cosas se ven diferentes, te siemntes más cerca de lo verdadero y puedes llegar a comprender algunas cosas que, la simbiosis del momento te acercan a la comprensión. Recordé que desede estos mismos lugares partíó Colón para “las Américas” lo que después llamamos el nuevo mundo, y, aunque él creía que se dirigçia a Cipango, el pais del Sol descrito por Marco Polo, el hombre llegó a ese nuevo Mundo que ahora (a pesar de todo), sentimos hermanos.

¿Cuándo llegaremos a comprender? ¿Entenderemos alguna vez por qué hicimos las cosas? ¿Sabremos perdonar? y, sobre todo, comprenderemos de una vez por todas que todos somos uno… ¡falta mucho para que eso sea una realidad!

emilio silvera

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Cuando en 2009, se celebró el Año Internacional de la Astronomía y pudimos ser uno de los Colaboradores de aquel evento Internacional, en éste página, cada día, se pusieron trabajos de interés para explicar cuestiones del Universo, cosas que la gente de la calle desconocían, y, con la intención de que les llegará esta información, así nos empeñamos durante todo el año en presentar diversos temas del Universo contados y explicados de manera sencilla para su mejor entendimiento.

Uno de los temas que se trataron, fue el de la variedad de estrellas que habían en el cielo, ya que, no todas son iguales ni están compuestas por los mismos materiales, así que, relacionamos aquí algunas de ellas para que, al menos, nuestros lectores tuvieran una idea más amplia sobre lo que realmente son las estrellas que cada noche pueden comtemplar brillando en el cielo.

Símbolo del AIA

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Estamos en una época en la que existe la convicción de que buena parte del desarrollo tecnológico del futuro dependerá de la capacidad que tengamos para fabricar dispositivos con un tamaño comprendido entre el de los átomos (< 1 mm) y el de los dispositivos actuales (≈ 100 nm). Con estas dimensiones, la materia presenta comportamientos peculiares, en muchos casos de origen cuántico, que no resultan de una simple extrapolación de sus propiedades macroscópicas (mecánicas, electrónicas, magnéticas, químicas u ópticas), y que por ello son, a menudo, sorprendentes. Estas dimensiones corresponden al territorio límite entre la química molecular y supramolecular, y la física del estado sólido. El estudio de la materia a escala nanométrica y su utilización para la fabricación de compuestos (componentes) y dispositivos con prestaciones avanzadas y novedosas reciben el nombre de, respectivamente, nanociencia y nanotecnología.

 Desarrollo de dispositivos nanométricos.

El IDM está trabajando en el desarrollo de “puertas nanoscópicas moleculares” mediante el anclaje de moléculas que actúan de “puerta” en las aperturas de los poros de sistemas mesoporosos y que permiten el control del acceso o salida de sustancias del interior de los poros a la disolución o viceversa.

Curiosamente, existe una creencia bastante arraigada en amplios sectores de la comunidad científica de que la fotónica (conjunto de tecnologías relacionadas con la luz) es un campo que cae fuera del universo de la nanotecnología. La creencia se apoya en el clásico criterio de Rayleigh de que la resolución espacial de un sistema óptico está limitada por la longitud de onda de la luz (≈ 500 nm), y por ello es próxima al micrómetro, muy lejos de los requisitos de la nanotecnología. Por otra parte, cuidado con los aprovechados que tratan de utilizar estos medios en su parte pseudocientifica para captar dinero de los ignorantes.

La “Reflexología Celular por Estimulación Fotónica”, que se vende a 200€ la sesión, asegura un rápido exito en acabar con el tabaquismo, asegurando que aplica la física para conseguir desengancharse del tabaco. Sin embargo, analizando las bases de la supuesta revolución médica no encontramos más que pura charalatanería típica de cualquier remedio mágico.

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Las galaxias son los bloques básicos que forman el universo; son como los ladrillos que forman una casa. Y, al igual que los ladrillos están compuestos por partículas más pequeñas (granos de arena), las galaxias están formadas por estrellas. Nuestro Sol es una estrella más en nuestra galaxia, muy importante para nosotros porque está muy cerca y nos da luz y calor, pero nada más. Es una estrella como las demás de la Vía Láctea, que está formada por 200.000 millones de estrellas, el Sol entre ellas.

Las estrellas de una galaxia no están quietas; están en movimiento girando siempre alrededor del centro de la galaxia. Si estuvieran quietas, la atracción gravitatoria haría que inmediatamente cayeran hacia el centro de la galaxia: es lo mismo que les pasaría a la Tierra y a los demás planetas si dejaran de girar en torno al Sol, caerían hacia el Sol.

Lo que nos preguntamos en concreto es ¿cómo giran las estrellas de una galaxia? La respuesta es muy fácil: usando las leyes de Newton, exactamente igual que las usamos para estudiar el movimiento de los planetas alrededor del Sol, deducimos que deben girar en órbitas circulares o elípticas alrededor del centro de masas (el centro galáctico). Las estrellas más lejanas irán más despacio (tardarán mucho tiempo en dar una vuelta completa a la galaxia); las más cercanas, más rápido. El Sol, que es una estrella ni muy cercana al centro galáctico ni muy alejada (está, aproximadamente, a 2/3 de radio galáctico, hacia afuera) emplea unos 250 millones de años en completar una vuelta. Pero estos números no son lo importante ahora. Lo importante es que podemos calcular con mucha exactitud los movimientos de las estrellas en cualquier galaxia usando las leyes de Newton (en realidad ni siquiera son necesarias las correcciones relativistas de Einstein, ya que las velocidades estelares, pocos cientos de km/s, son mucho menores que la velocidad de la luz; Newton es, a todos los efectos, exacto aquí).

La rotación de las galaxias se observó por primera vez en 1914, y desde entonces se ha medido con gran precisión en muchas galaxias, no sólo en la Vía Láctea. La gran sorpresa surgió cuando, en 1975, se pudo medir la velocidad de giro de las estrellas que ocupan posiciones muy alejadas del centro: esas estrellas van muchísimo más rápido que lo que les correspondería por las leyes de Newton (es como si los planetas más alejados, por ejemplo Neptuno y Plutón, orbitaran mucho más deprisa de lo que calculamos con las leyes de Newton). El hecho es que esto ocurre no en una, sino en muchas galaxias donde hemos podido medir su rotación: las partes externas de las galaxias giran mucho más deprisa que lo que esperamos. ¿Por qué ocurre eso? No se sabe.

      Tampoco sabemos si es la materia oscura la que nos trae hacia nosotros a nuestra vecina Andrómeda

Desde 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 para 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 creom 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 vuelos interplanetarios, en la dinámica del Sistema Solar, etc.).

Este problema de la materia oscura (si es que realmente existe y no es que las leyes de Newton sean incompletas) es uno de los más importantes con los que se enfrenta la astrofísica hoy en día (texto de Cosmo-Educa).

Últimamente están saliendo a la luz estudios diversos (algunos contradictorios) en relación a la (posible presencia) de materia oscura todeando las galaxias.

Usando una de las más poderosas supercomputadoras del mundo para simular el halo de materia oscura que envuelve a nuestra galaxia, unos investigadores han encontrado densos grumos y filamentos de la misteriosa materia oscura ocultándose en las regiones internas del halo, en el mismo vecindario que nuestro Sistema Solar.

“En simulaciones anteriores, esta región resultó lisa, pero ahora tenemos suficientes detalles para ver los grumos de materia oscura”. La permanete contradicción nos hace dudar de lo que realmente pueda haber alrededor de las galaxias y cúmulos de galaxias. Y, la materia oscura es la salida más cómoda para explicar lo que desconocemos.

Parece obvio que la cuestión de la naturaleza de la materia oscura no se puede dejar reposar hasta que alguien, algún proyecto, obtenga una respuesta que, de ser posible, venga acompañada de un buen “pedazo” de esa materia que, seguramente, encontraremos finalmente en el laboratorio.

Está muy bien generar nuevas teorías y mostrar que la materia oscura se debe comportar de este modo o de aquel otro, pero hasta que podamos aislar algo de esa materia y realmente verla comportándose como se supone que debe hacerlo, muchos no estaremos satisfechos.

Si estamos pendientes de las noticias especializadas, todos quieren su parte del pastel y dicen haber hallado, por fín, la dichosa materia oscura, unos en forma de filamentos y otros en un tenue material “invisible” que sólo se deja detectar por su incidencia en el movimiento de las estrellas, las galaxias y, en la expansión misma del Universo entero, ya que, estamos hablando de más del 90 por ciento (entre materia y energía oscura) de toda la materia que, supuestamente existe en nuestro universo.

No sería de extrañar que, finalmente, sean los Aceleradores de Partículas los que harán el trabajo y localizaran esas partículas componentes de la supuesta materia oscura (o lo que pueda ser) que, de existir, tendrá que estar formada por objetos pequeños al igual que la materia conocida y, aunque éstos puedan tener otras propiedades extrañas para nosotros, en procesos de grandes energías se podrá llegar hasta ellos y quedar al descubierto para que los podamos ver.

Todos sabemos como funcionan estos inmensos aparatos. Son instrumentos que produce un haz de partículas -ya sean protones, electrones o cualquier otra- que viajan a velocidades cercanas a la de la luz. Dirigidas a un objetivo en alguna de las colisionesw resultantes, parte de la energía del haz será convertida (E =mc²) en la masa de nuevas partículas. No importa lo improbable que pueda ser que una partícula se produzca en tal reacción, si tenemos suficiente energía en el haz y esperamos pacientemente, más pronto o más tarde veremos lo que estamos esperando. La esperanza de los experimentadores actuales es que esto será verdad y se produzca la aparición de las partículas que copmponen la materia oscura, como aparecieron otras en el pasado.

El descomunal conglomerado técnico del LHC, cuanta con energías hasta hace bien poco impensables, es decir, podrá llegar hasta los 14 TeV, pero, ¿será suficiente esa energía para encontrar la materia oscura? Por otra parte, no será nada fácil el hallazgo por este método ya que, los candidatos más exóticos para la materia oscura de los que hemos hablado en estos días pasados, no se pueden producir aisladamente, sino que siempre deben ser creados por pares. Las teorías nos dicen, por ejemplo, que no podemos producir un único fotino aislado en ninguna reacción iniciada por el impacto de un electrón o un fotón sobre la materia ordinaria. Igualmente, no podremos producir un único selectrón, sino que debemos producir un par; un selectrín y un antiselectrón. En efecto, esto divide por la mitad la energía disponible para la conversión en masa en cualquier acelerador, pues la energía debe ser compatible para para ambos miembros del par.

Somos capaces de bautizar “al niño” antes de su nacimiento. Así de impulsivos solemos ser y dados a poner nombre a todo aunque ese todo no sea seguro de que, en realidad, pueda existir. Así nos sucede con la materia oscura a la que le hemos adjudicado ciertas anomalías observadas en el movimiento de las galaxias y las estrellas, los cúmulos y la expansión misma. Pero, ¿será debido a la existencia de esa otra clase de materia?

¡Cuánto nos hace trabajar la ignorancia!

Busca, busca que hallarás

Si no lo que pretendías, sí alguna respuesta

que, aunque negativa, te enseñará

En qué no debes hacer la apuesta.

emilio silvera

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Las leyes que gobiernan el mundo físico tienen dos características importantes: muchas leyes de la naturaleza permanecen inalterables, no se alteran cuando cambia la escala, pero hay otros fenómenos, tales como una vela encendida o las gotas de agua, que no cambian del mismo modo. La implicación final es que el mundo de los objetos muy pequeños será completamente diferente del mundo ordinario.

Ahora tendríamos que hablar algo de la mecánica cuántica y, en ese ámbito, las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que resultaría realmente difícil refutarlas. Acordaos de los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Hesinberg, Paul Dirac, o, Schrödinger que vinieron a mejorar y completar  las reglas generales. Sin embargo, algunos de aquellos pioneros (Einstein y el mismo Schrödinger), sin embargo, presentaron serias objeciones a dicha interpretación de la naturaleza de lo muy pequeño.

Esta cosita tan pequeñita, el electrón,  es inversamente proporcional en importancia para que el mundo, la Naturaleza, y,  nuestro Universo sea como es. Se ha conseguido fotografíar a un electrón. Poder filmar y fotografiar un electrón no es fácil por dos razones: primero, gira alrededor del núcleo atómico cada 0,000000000000000140 segundos , y, porque para fotografiar un electrón es necesario bombardearlo con partículas de luz (y cualquier que haya intentado sacarle una foto a un electrón sabe que hay que hacerlo sin flash). La imagen de la izquierda es el resultado.

El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856 – 1940). El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto. Si el electrón se considera como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorentz–Dirac.

Muchas veces hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; tiene una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero, el del hidrógeno que está formado por un solo protón. La importancia del electrón es vital en el universo.

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º bajo cero). Cuando a 1.000 ºC un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = hν, donde E es la energía del paquete, ν es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: él sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia ν de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas  diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, pero esto lo veremos más adelante.

                                                          Onda y partícula

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger descubrió cómo escribir la teoría ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de ondas cuánticas”.

Está bien comprobado que la mecánica cuántica funciona de maravilla…, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente estas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Cuando Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro para todo el mundo qué significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posición bien definida des espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades en el tiempo.

Pero para los electrones todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se puede determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

La notable capacidad de un electrón de existir en dos lugares al mismo tiempo ha sido controlada en el material electrónico más comun el – silicio – por primera vez, siendo este un gran avance para la electrónica moderna y tiene un potencial enorme para el futuro y para la creación de la computadora cuantica.

Imagen: El movimiento de los electrones en el silicio. El electrón gira alrededor de una átomo de fósforo embebido en la estructura cristalina del silicio, que se muestra en plata. La distribución de densidad electrónica no perturbado, a partir de la ecuaciones de la mecánica cuántica del movimiento se muestra en amarillo. Un pulso de láser de electrones puede modificar el estado de manera que tiene la distribución de la densidad se muestra en verde. Nuestro pulso láser en primer lugar, que llegan desde la izquierda, pone el electrón en una superposición de ambos estados, que podemos controlar con un segundo impulso, también desde la izquierda, para dar un pulso que se detecte que, saliendo a la derecha. Las características de este “eco” del pulso nos hablan de la superposición que hemos hecho.

Cuando podamos dominar el “universo” de lo muy pequeño… ¡Nuestro Universo será otro para nosotros!

Las leyes de la mecánica cuántica han sido establecidas con mucha precisión; permite cómo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha precisión, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posición con precisión, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una partícula tiene espín (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual está rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

No es fácil explicar de forma sencilla de dónde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento musical se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y compararla, por ejemplo, con un diapasón que debe vibrar también durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.

              Sí, la música influye en el cerebro

Para que las reglas de la mecánica cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando más grande y más pesado es un objeto, más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica. Me gustaría referirme a esta exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por holismo, y que podría definir como “el todo es más que la suma de sus partes”. Si la física nos ha enseñado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran número de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (partículas); basta que sepamos sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo,  la constante de Planck, h, que es igual a 6’626075… × 10^-34 Julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal.

Aunque la semilla la puso Planck en 1900, fue a partir de 1930 cuando la mecánica cuántica se aplicó con mucho éxito a problemas relacionados con núcleos atómicos, moléculas y materia en estado sólido. La mecánica cuántica hizo posible comprender un extenso conjunto de datos, de otra manera enigmáticos. Sus predicciones han sido de una exactitud notable. Ejemplo de ésto último es la increíble precisión de diesciciete cifras significativas del momento magnético del electrón calculadas por la EDC (Electrodinámica Cuántica) comparadas con el experimento.

Si viajamos hacia lo muy pequeño tendremos que ir más allá de los átomos, que son objetos voluminosos y frágiles comparados con lo que nos ocupará a continuación: el núcleo atómico y lo que allí se encuentra. Los electrones,  que ahora vemos “a gran distancia” dando vueltas alrededor del núcleo, son muy pequeños y extremadamente robustos. El núcleo está constituido por dos especies de bloques: protones y neutrones. El protón  (del griego πρώτος, primero) debe su nombre al hecho de que el núcleo atómico más sencillo, que es el hidrógeno, está formado por un solo protón. Tiene una unidad de carga positiva. El neutrón recuerda al protón como si fuera su hermano gemelo: su masa es prácticamente la misma, su espín es el mismo, pero en el neutrón, como su propio nombre da a entender, no hay carga eléctrica; es neutro.

La masa de estas partículas se expresa en una unidad llamada mega-electrón-voltio o MeV, para abreviar. Un MeV, que equivale a 10⁶ electrón-voltios, es la cantidad de energía de movimiento que adquiere una partícula con una unidad de carga (tal como un electrón o un protón) cuando atraviesa una diferencia de potencial de 10⁶ (1.000.000) voltios. Como esta energía se transforma en masa, el MeV es una unidad útil de masa para las partículas elementales.

                                            Sí, las reglas de la mecánica cuántica son extrañas y misteriosas, pero…

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisemberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros como Erwin Schrödinger siempre presentaron serias objeciones a esta interpretación. Quizá funcione bien, pero ¿dónde está exactamente el electrón?, ¿en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿dónde está en realidad?, y ¿cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos ahora se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicción consiste en dos factores: el primer factor es un cálculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estadística e incontrolable definida matemáticamente de forma estricta. Las partículas seguirán una distribución de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la ecuación de Schrödinger de función de onda (Ψ) que, con muchas probabilidades nos indicará el lugar probable donde se encuentra una partícula en un momento dado.

Muchos estiman que esta teoría de las probabilidades desaparecerá cuando se consiga la teoría que explique, de forma completa, todas las fuerzas; la buscada teoría del todo, lo que implica que nuestra descripción actual incluye variables y fuerzas que (aún) no conocemos o no entendemos. Esta interpretación se conoce como hipótesis de las variables ocultas.

Albert Einstein, Nathan Rosen y Boris Podolski idearon un “Gedankenexperiment”, un experimento hipotético, realizado sobre el papel, para el cual la mecánica cuántica predecía como resultado algo que es imposible de reproducir en ninguna teoría razonable de variables ocultas. Más tarde, el físico irlandés John Stewar Bell consiguió convertir este resultado en un teorema matemático; el teorema de imposibilidad.

emilio silvera

Fuente: En su mayor parte, Gerard ´t Hofft

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