La cuarta dimensión, por primera vez en un laboratorio

 

 

Izquierda y derecha, delante y atrás y arriba y abajo. Esas son, más el tiempo, las dimensiones en las que se enmarca nuestra existencia, al igual que la de todo el Universo en que vivimos. Pero cada vez son más los científicos que piensan que el nuestro no es un mundo con solo tres dimensiones.

Las matemáticas, en efecto, abren la puerta a una realidad con muchas más dimensiones de las que nos son habituales. Hasta once diferentes, si hacemos caso de la teoría de Cuerdas…

Sin necesidad de llegar tan lejos, toda una corriente de la física se inclina decididamente por la existencia de una cuarta dimensión espacial. Una que, por supuesto, nuestros sentidos no pueden percibir, pero cuyos efectos podrían ser detectados incluso en nuestro universo tridimensional.

 

Si existe, esa cuarta dimensión de espacio… ¿Estará fuera de nuestro mundo? Y, por eso no se deja ver

¿Cómo conseguir una proeza semejante? Dos equipos independientes de investigadores, uno en Suiza y otro en Estados Unidos, han hallado una solución al problema. Y han conseguido, cada uno por su lado, tener un atisbo de esa cuarta dimensión.

Imaginemos por un momento que somos criaturas planas, y que solo podemos percibir dos dimensiones. Sin el concepto «arriba y abajo» no podríamos ver, por ejemplo, un cubo. Sin embargo sí que podríamos ver la proyección, o sombra, bidimensional de ese objeto 3D, que sería un cuadrado. Un cuadrado en una superficie plana, como una hoja de papel, podría darnos alguna (aunque no toda) información sobre el cubo que la está proyectando.

Imaginemos ahora que también el propio cubo no es más que una proyección, o una sombra, tridimensional de un objeto de cuatro dimensiones. Un hipercubo que no podemos percibir en nuestro universo 3D, pero del que podemos atisbar algunas características.

Eso es, precisamente, lo que han hecho los investigadores en sus laboratorios a ambas orillas del Atlantico, observar la «sombra» tridimensional de un suceso que tiene lugar en la cuarta dimensión. Y lo han conseguido observando la manifestación de un efecto cuántico, el efecto Hall cuántico, del que las ecuaciones dicen que se manifiesta en la cuarta dimensión.

¿Complicado? Puede. Pero es lo más cerca que hemos llegado a estar, hasta ahora, de una dimensión superior a la nuestra.

Reportaje de prensa

Las fuerzas que podemos sentir en la vida cotidiana, es decir, la Gravedad y el electromagnetismo, aumentan con la cercanía: así, cuando más cerca está un clavo de un imán o una manzana del suelo, más se verán atraídos.

 

 

Por el contrario, la interacción fuerte disminuye cuanto más cerca y juntas están las partículas en el interior de los átomos, aumentando cuando las partículas se alejan las unas de las otras. La fuerza nuclear fuerte es la única de las cuatro fuerzas que aumenta con la distancia.

 

                       

 

El descubrimiento de esta extraña propiedad, llamada libertad asintótica, supuso toda una revolución teórica en los años 70 (se publicó en 1.973), pero ya plenamente respaldada por los experimentos en los aceleradores de partículas, aconsejó, a la Academia, conceder 30 años más tarde, el Premio Nobel de Física a sus autores.

 

                        Franck Wilczek

“Ha sido un gran alivio.  He estado pensando en ello durante mucho tiempo”, comentó al enterarse de la noticia Franck Wilczek.

“No estaba claro que fuera un adelanto en aquel momento. La teoría que propusimos era descabellada en muchos aspectos y tuvimos que dar muchas explicaciones”, reconoció el investigador.”

 

 

 

 

Tanto Wilczek como Politzer eran aun aspirantes a doctores en 1.973, cuando publicaron su descubrimiento en Physical Review letters.  Junto a su informe, la misma revista incluyó el trabajo de David Gross, que unido al de los dos estudiantes ha dado lugar a la celebrada teoría de la Cromo dinámica Cuántica (QCD).

                                 

    Los quarks vienen en seis diferentes “sabores” y poseen una carga de color

Siguiendo una arraigada costumbre de la Física de partículas, los investigadores emplearon nombres comunes y desenfadados para señalar sus nuevos descubrimientos y llamaron “colores” a las intrincadas propiedades de los quarks.

Por ello, su teoría es conocida en la actualidad por el nombre de Cromo-dinámica (cromo significa “color” en griego), a pesar de que no tienen nada que ver con lo que entendemos y llamamos color en nuestra vida cotidiana, sino con el modo en que los componentes del núcleo atómico permanecen unidos.  En este sentido, resulta mucho más intuitiva, aunque no menos divertida, la denominación de las partículas que hacen posible la interacción fuerte, llamadas gluones, (Glue es “pegamento” en inglés).

 

 

 

Al igual que en la teoría electromagnética, las partículas pueden tener carga positiva o negativa, los componentes más diminutos del núcleo atómico pueden ser rojos, verdes o azules.

Además, de manera análoga a como las cargas opuestas se atraen en el mundo de la electricidad y el magnetismo, también los quarks de distinto color se agrupan en tripletes para formar protones y neutrones del núcleo atómico.

Pero estas no son las únicas similitudes, ni siquiera las más profundas, que existen entre las distintas fuerzas que rigen el Universo. De hecho, los científicos esperan que, en última instancia, todas las interacciones conocidas sean en realidad la manifestación variada de una sola fuerza que rige y gobierna todo el cosmos.

 

                                 

Según la Academia Sueca, el trabajo premiado a estos tres Físicos, “constituye un paso importante dentro del esfuerzo para alcanzar la descripción unificada de todas las fuerzas de la Naturaleza”.  Lo que llamamos teoría del todo.

 

                               

 

Según Frank Wiczek, que ahora pertenece al Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), su descubrimiento “reivindica la idea de que es posible comprender a la Naturaleza racionalmente”.  El físico también recordó que “fue una labor arraigada en el trabajo experimental, más que en la intuición”, y agradeció “a Estados Unidos por un sistema de enseñanza pública que tantos beneficios me ha dado”.

 

             

 

Sabemos que los quarks (hasta el momento) son las partículas más elementales del núcleo atómico donde forman protones y neutrones.  La interacción fuerte entre los quarks que forman el protón es tan intensa que los mantiene permanentemente confinados en su interior, en una región ínfima. Y, allí, la fuerza crece con la distancia, si los quarks tratan de separarse, la fuerza aumenta (confinamiento de los quarks), si los quarks están juntos los unos a los otros, la fuerza decrece (libertad asintótica de los quarks).  Nadie ha sido capaz de arrancar un quak libre fuera del protón.

Con aceleradores de partículas a muy altas energías, es posible investigar el comportamiento de los quarks a distancias muchos más pequeñas que el tamaño del protón.

 

Así, el trabajo acreedor al Nobel demostró que la fuerza nuclear fuerte actúa como un muelle de acero, si lo estiramos (los quarks se separan), la fuerza aumenta, si lo dejamos en reposo, en su estado natural, los anillos juntos (los quarks unidos), la fuerza es pequeña.

Así que la Cromo-dinámica Cuántica (QCD) describe rigurosamente la interacción fuerte entre los quarks y, en el desarrollo de esta teoría, como se ha dicho, jugaron un papel fundamental los tres ganadores del Nobel de Física de 2004 cuyas fotos y nombres hemos puesto antes.

 

 

Trabajos y estudios realizados en el acelerador LEP del CER durante la década de los 90 han hecho posible medir con mucha precisión la intensidad de la interacción fuerte en las desintegraciones de las partículas z y t, es decir a energías de 91 y 1,8 Gev, los resultados obtenidos están en perfecto acuerdo con las predicciones de ACD, proporcionando una verificación muy significativa de libertad asintótica.

 

 

                   Mini Big Bang a 100 metros bajo tierra

Por aquel entonces os decía:

!Habiendo mencionado el CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear.), me parece muy oportuno recordar aquí que está a punto de finalizar la construcción del LHC (el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande del mundo ).

 

Simular el nacimiento del Universo no resulta nada sencillo.  Primero hay que excavar un túnel subterráneo de 100 m. de profundidad, en cuyo interior se debe construir un anillo metálico de 27 kilómetros enfriado por imanes superconductores cuya función es mantener una temperatura bastante fresca, nada menos que 271 grados bajo cero.

A continuación, hay que añadir a la ecuación dos puñados de protones, lanzados al vacío de este tubo subterráneo en direcciones opuestas, y a una velocidad inimaginable que prácticamente debe rozar la velocidad de c. la velocidad de la luz en el vacío.  Es solo entonces cuando los múltiples colisiones de partículas que se produzcan en el interior del anillo producirán condiciones que existían inmediatamente después del Big Bang, ese descomunal estallido cósmico que dio el pistoletazo de salida para el surgimiento de nuestro mundo y de la vida inteligente a partir de esta materia inerte creada y evolucionada después en las estrellas.

 

 

          Yo no apostaría por cuántas formas de vida inteligente pudieran estar presentes en el Universo- Solo en la Vía Láctea existen estrellas como el Sol en un número cercano a los 30.000 millones. Cada cinco de esas estrellas tienen sus propios planetas orbitándolas, y, la probabilidad nos dice que al menos uno puede estar en la zona habitable… No es difícil sacar las conclusiones.

 

 

En el corazón de la cordillera del Jura, justo en la frontera entre Francia y Suiza, el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), está ultimando la construcción de esta maravilla que, cuando se finalice de instalar todos los componentes de esta faraónica obra científica (cuyo coste está ya en 40.000 millones de euros y se ha tardado 15 años en construirse), unos 10.000 investigadores de 500 instituciones académicas y empresas esperan descubrir nuevas claves sobre la naturaleza de la materia y los ladrillos fundamentales de las que se compone el Universo.

Por aquel entronces se decía:

“¿Podremos encontrar por fin, en 2.008, cuando funcione este Gran Acelerador de Hadrones, esa esperada y soñada partícula, a la que algunos han llegado a llamar La “Partícula Divina”, conocida por partícula de Higgs y que se tiene por la partícula que proporciona las masas a todas las demás?”

 

 

Este acelerador tan largamente esperado, comenzó a funcionar en 2.008 y, las partículas que se inyectaron en su interior colisionaron aproximadamente seiscientos millones de veces por segundo, desencadenando la mayor cantidad de energía jamás observada en las condiciones de un laboratorio, aunque aun estará muy alejada de la energía necesaria para comprobar la existencia de las cuerdas vibrantes.  Pero eso sí, nos dejará ver otras partículas nuevas hasta ahora esquivas, pertenecientes al grupo más elemental de los componentes de la materia.

 

 

El LHC producirá tantos datos que necesitarán una pila de CD de 20 km. de altura para almacenar tanta información generada por los experimentos y, una legión de físicos para estudiar resultados. Será fascinante.

El trabajo que se lleva a cabo en el CERN constituye una contribución muy importante al conocimiento de la Humanidad para comprender el mundo que nos rodea.

La pregunta clave: ¿De qué se compone la materia de nuestro Universo? Y ¿Cómo llegó a convertirse en lo que es?

 

 

Es increíble el logro de conocimiento y tecnología que el hombre tiene conquistado a principios del siglo XXI, este mismo artilugio al que llaman acelerador LHC, es la mejor prueba de ello: Por ejemplo, los sistemas criogénicos que deben mantener ese inimaginable frío de 271 grados bajo cero o los campos electromagnéticos que deben asegurar que la aceleración de los haces de partículas las recorran los 27 km del anillo subterráneo a un 99,99% de la velocidad de la luz.

Si todo sale como está previsto y se cumplen todas las expectativas de los científicos, se calcula que cada segundo, un protón dará 11.245 vueltas al anillo del LHC.  Teniendo en cuenta que cada haz de estas partículas tendrá una duración de 10 horas, se estima que recorrerá un total de 10.000 millones de kilómetros (suficiente para llegar a Neptuno y volver).

La energía requerida por el haz de protones al viajar por el acelerador es el equivalente a un coche viajando a 1 .600 km/h por el carril rápido de una autopista imposible, o la cantidad de energía almacenada en los imanes superconductores que mantendrán la temperatura a-271° sería suficiente para derretir 50 toneladas de cobre.

 

El LHC está dividido en 8 sectores de 3,3 km cada uno, y, de momento, sólo se ha logrado el enfriamiento de uno de los sectores a la temperatura necesaria para llevar a cabo las colisiones que simularán, en miniatura, las condiciones del Big Bang.

El Bosón de Higgs, el tesoro más buscado, será el premio.  Una partícula que predice el modelo teórico actual de la Física, pero para el que hasta ahora no existe evidencia alguna.  Se supone que este “ladrillo” fundamental del cosmos (cuyo nombre proviene del físico escocés que propuso su existencia en 1.964, Peter Higgs) es crucial para comprender cómo la materia adquiere su masa.

 

 

John Ellis, uno de los investigadores del CERN, decía: “si no encontramos la partícula de Higgs, esto supondría que todos los que nos dedicamos a la Física teórica llevamos 35 años diciendo tonterías”.

Espero que no sea así y que la dichosa partícula aparezca.  Herman Tey Kate, otro físico del CERN, se atreve a predecir que, la partícula de Higgs aparecerá antes de ocho meses a partir del comienzo de la búsqueda en los primeros meses de 2.010.

Creo que me he extendido demasiado en el ejemplo, cuando me introduzco en temas de Física se me va el santo al cielo, pero estamos tratando sobre nosotros y la manera en que evolucionamos para adquirir los conocimientos y sensaciones que tenemos.

emilio silvera

 

Pasa el Tiempo, las Ideas fluyen y… ¡Vamos comprendiendo! “Con el paso de los Eones, hasta la misma muerte tendrá que morir”. Nada permanece, comienza siendo una cosa y finaliza siendo otra.

 

 

 

                     

Estas nubes lanzan tanta ceniza que cubren por completo la atmósfera, no deja pasar el Sol, y, la flora y la fauna lo sienten hasta tal punto que, a veces se ha provocado la extinción de especies.