Cuando en nuestro Uni9verso quedaron libres los fotones… ¡Se hizo la Luz!

En alguna parte he podido leer que para comprender la realidad en sus niveles más elementales, basta con conocer el comportamiento de dos infinitesimales objetos: el electrón y el fotón. Todo el argumento de la QED [electrodinámica cuántica] gira en torno a un proceso fundamental: la emisión de un único fotón por un único electrón.

Cuando el movimiento de un electrón es alterado súbitamente, puede responder desprendiendo un fotón. La emisión de un fotón es el suceso básico de la mecánica cuántica:

 Un equipo de científicos lograron filmar por primera vez un electrón en movimiento gracias a una tecnología reciente que genera pulsos cortos e intensos de luz láser.

Toda la luz visible que vemos, así como las ondas de radio, la radiación infrarroja y los rayos X, está compuesta de fotones que han sido emitidos por electrones, ya sea en el Sol, el filamento de una bombilla, una antena de radio o un aparato de rayos.

Los electrones no son las únicas partículas que pueden emitir fotones. Cualquier partícula eléctricamente cargada puede hacerlo, incluido el protón. Esto significa que los fotones pueden saltar entre dos protones o incluso entre un protón y un electrón. Este hecho es de enorme importancia para toda la ciencia y la vida en general. El intercambio continuo de fotones entre el núcleo y los electrones atómicos proporciona la fuerza que mantiene unido al átomo. Sin estos fotones saltarines, el átomo se desharía y toda la materia dejaría de existir.

Se ha conseguido observar por primera vez la desintegración radiativa del neutrón.
Dentro de los núcleos de los átomos hay neutrones y protones. En condiciones normales y mientras que están ahí los neutrones son estables. Sin embargo los neutrones libres son inestables, tienen una vida media de unos 10 minutos, y se desintegran produciendo un protón un electrón y un antineutrino. Pero los físicos nucleares teóricos predijeron que una de cada mil veces los neutrones decaerían en todas esas partículas y además en un fotón.

Típicamente el neutrón decae en un protón, un antineutrino y un electrón. Muy raramente lo hace radiativamente emitiendo además un fotón. Diagrama: Zina Deretsky, National Science Foundation.

Mientras que un electrón pertenece al grupo de partículas llamadas fermiones, los fotones pertenecen a la familia de los bosones. Intentemos comprender esta película que es la intermediaria de todas las formas de radiación electromagnética.

…protagonizada por bosones…

Los fermiones hacen posible la materia “al estilo tradicional”, mientras que los bosones son elementos muy raros desde la forma de pensar a que estamos acostumbrados el común de los mortales. Para no complicarnos, la tabla periódica de elementos existe porque los fermiones no pueden “ser iguales”: no pueden solaparseuno sobre otro y se repelen si los obligamos. Es lo que damos por hecho cuando hablamos de materia, que cada pedazo de ésta ocupa su lugar y tiene sus propias cualidades.

Toda la materia que conocemos, la que forma las estrellas y los mundos y las galaxias, esa que llamamos luminosa o bariónica, la que emite radiación, está hecha de Leptones y Quarks, partículas que son Fermiones, y, esas otras partículas intermediarias de las cuatro fuerzas fundamentales, son las que pertenecen a la familia de los Bosones, tales como el Fotón, las W+, W- y Zº, los Gluones y el Gravitón.

Los bosones carecen de este sentido de la individualidad que tienen los Fermiones, digamos que poseen “alma grupal” y, en su estado más puro, todos forman una misma “super-partícula”.

Para entenderlo mejor, conviene recordar que las partículas no son bolitas como nos siguen enseñando en la escuela, sino que más allá de esta imagen existen como ondas o, al menos, sus funciones se equiparan al comportamiento de una onda.

En la década de 1920, Albert Einstein y el hindú Satyendra Nath Bose pronosticaron un quinto estado de la materia: el condensado de Bose-Einstein (BEC), el cual fue conseguido en laboratorio en 1995, algo que le valió el premio Nobel de 2001 a los científicos que lo lograron.

Un condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que se da en ciertos materiales a muy baja temperatura. En este estado de la materia, todos los átomos que lo constituyen se encuentran en el nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. Descubierto en 1924 para los fotones por el indio Bose y por Einstein, no fue obtenido en laboratorio hasta 1995 por Cornell y Wieman al enfriar átomos a pocos nanokelvin por encima del cero absoluto. El condensado de Bose-Einstein fue la “molécula del año” según la revista Science en 1995 ya que se trata de un sistema cuántico macroscópico similar a una molécula pero con millones de átomos. Un átomo en un gas se mueve a una velocidad de unos unos 1000 km/h (unos 300 m/s) pero un condensado de Bose-Einstein se mueve a sólo 1 cm/s. Un condensado de Bose-Einstein es respecto a la materia ordinaria, como la luz de un láser es respecto a la de una bombilla. Gracias a ello se puede fabricar un láser de átomos, que en lugar de producir un haz de luz como un láser óptico, produce un haz (coherente) de átomos. En 1997 Ketterle fabricó el primer láser de átomos que producía un haz de átomos de sodio.

Cuando ciertas formas de materia [bosones] se enfrían hasta casi el cero absoluto, sus átomos se ponen en el estado de energía más baja, de modo que todos sus átomos vibran al unísono y se hacen coherentes. Las funciones de onda de todos los átomos se solapan, de manera que, en cierto sentido, un BEC [condensado de Bose-Einstein] es como un “superátomo” gigante en donde todos los átomos individuales vibran al unísono.

Al enfriar los átomos, su velocidad disminuye hasta que las longitudes de onda de cada uno de ellos se vuelven casi planas, superponiéndose unas a otras para formar una única onda que los describe a todos.

Así que un BEC se forma cuando los átomos en un gas sufren la transición de comportarse como “bolas de billar” al estilo de la física clásica, a comportarse como una onda gigante de materia al estilo de mecánica cuántica:

Si creamos dos BECs y los colocamos juntos, no se mezclan como gases ordinarios ni rebotan como lo harían dos sólidos. Donde los dos BECs se superponen, ellos “interfieren” como las ondas: delgadas capas paralelas de materia son separadas por capas delgadas de espacio vacío. El patrón se forma porque las dos ondas se suman donde sus crestas coinciden, y se cancelan donde una cresta se encuentra con un valle — a lo cual llamamos interferencia “constructiva” y “destructiva” respectivamente. El efecto es similar al de dos ondas que se superponen cuando dos piedras son lanzadas a un lago.

…ambientada en: el vacío…

Y ahora, retrocedamos un poco más en este asunto del misterio que nos ocupa. Gracias a la tecnología láser, la física ha podido comprobar el extremo poder de la luz. Los láseres pueden hacer que las partículas virtuales se vuelvan reales. Pero, primero, aclaremos conceptos…

Las “Partículas virtuales”son partículas fundamentales que están constantemente surgiendo aparentemente de la nada y permanecen en el espacio-tiempo la friolera de una milésima de trillonésima de segundo –una cantidad que se forma poniendo una veintena de ceros a la derecha de la coma—. A pesar de denominarse “virtuales”, sus efectos son muy reales: la constante agitación de este burbujeo cuántico de partículas hace que el vacío tenga energía. Y esto es algo que afecta a la realidad, pues en ésta las fuerzas de atracción y repulsión dependen de la masa, y la masa no es sino energía expresada en unidades diferentes: E=mc².

Partículas virtuales que surgen de la NADA. Claro que, en la NADA no hay…¡Nada! Si surgió… ¡Es porque había!

En el uso corriente la palabra vacío significa espacio vacío, espacio del que se ha extraído todo el aire, vapor de agua u otro material. Eso es también lo que significa para un físico experimental que trabaja con tubos de vacío y bombas de vacío. Pero para un físico teórico, el término vacío tiene muchas más connotaciones. Significa una especie de fondo en el que tiene lugar el resto de la física. El vacío representa un potencial para todas las cosas que pueden suceder en ese fondo. Significa una lista de todas las partículas elementales tanto como de las constantes de la Naturaleza que se pondrían de manifiesto mediante experimentos en dicho vacío. En resumen, significa un ambiente en el que las leyes de la física toman una forma particular. Un vacío diferente significa leyes de la física diferentes; cada punto en el paisaje representa un conjunto de leyes que son, con toda probabilidad, muy diferentes de las nuestras pero que son, en cualquier caso, posibilidades consistentes. El modelo estándar es meramente un punto en el paisaje de posibilidades.

La energía del vacío es, por tanto, la suma total de las energías de todas las partículas posibles. Es la llamada “energía oscura” que hace que el universo se expanda, haciendo frente a la atracción de la gravedad, y que proporciona alrededor del 80% de la materia-energía al universo –un 26% es “materia oscura”, y sólo un 4% es la materia conocida hasta el momento—.

Pero, ¿Cómo una partícula virtual se convierte en real? Es decir, ¿Cómo queda “atrapada” en el espacio-tiempo de forma más estable?

¡Los fotones de Yang-Mills adquieren su masa y el principio gauge se sigue cumpliendo! Al principio esta visión no mereció la atención que merecía. Por una parte, la gente pensó que el modelo era feo. El principio gauge estaba ahí, pero ya no era el tema central. El “Campo de Higgs” había sido puesto ahí “a propósito” y la “partícula de Higgs”, en sí misma, no era una “partícula gauge”

La Teoría de la Sipersimetría establece que, por cada partícula de materia, nace una gemela de antimateria. La antimateria es igual que la materia, pero con carga opuesta. Por ejemplo, el electrón tiene carga negativa, y su partícula de antimateria, el positrón, positiva. Materia y antimateria se aniquilan mutuamente pero, por algún motivo aún no aclarado, la simetría se rompió en algún momento, surgiendo más materia que antimateria, de ahí que nuestro universo, materia, pueda existir.

Pero hay algo más en todo esto. Y para ello, la luz es la clave.

Controlar los estados cuánticos macroscópicos de osciladores micro-mecánicos no es fácil; hacerlo con luz (fotones) requiere el acoplamiento coherente entre …

Una de los modelos teóricos elaborados para superar la visión de la gravedad de Einstein indica que los fotones de los rayos gamma de alta energía viajarían algo más despacio que los de baja energía, lo que viola el axioma del sabio alemán acerca de que toda radiación electromagnética, desde las ondas radio hasta los rayos gamma, viajan en el vacío a la misma velocidad (la de la luz). Sin embargo, no ha sido verificado mediante experimento, con lo cual, Einstein sigue teniendo razón.

… protagonizada por la “luz” como la propia …

Ya en los años 30, los físicos predijeron que un campo eléctrico muy fuerte, que no es sino un espacio alterado por la actividad de un montón de fotones coordinados, podría impulsar a las partículas virtuales con carga opuesta en diferentes direcciones, impidiendo que la materia y la antimateria se aniquilen.

Según el efecto de creación de pares,   un fotón con energía suficiente, lo que equivale a tener el doble de la energía que posee un electrón en reposo, da lugar a una pareja de electrón y positrón.

Aunque esto ya se consiguió en los años 90 a pequeña escala, gracias al desarrollo de la tecnología láser los científicos creen que estarán cerca de conseguir crear materia “en serie” mediante este proceso en unos pocos años.

La enorme energía de los fotones gamma los hace especialmente útiles para destruir células cancerosas. Pero son también peligrosos para los tejidos sanos por lo que la manipulación de rayos gamma requiere una técnica muy especial y cuidadosa para no causar más daño que beneficio.

Pero el problema no termina, sino que, el electrón formado por un rayo gamma, no interactúa con este tipo de fotón (gamma), sino uno de luz visible,

Por otra parte, una vez que existen las partículas, los fotones interactúan sin cesar con ellas, siendo absorbidos y emitidos por las mismas de manera ininterrumpida.

Y de ello nace el movimiento gracias al cual todo existe en el espacio-tiempo. Sin movimiento, nuestra realidad desaparecería.

La carencia de masa de un fotón está ligada a su movimiento. Para que un cuerpo alcance la velocidad de la luz, su masa ha de ser cero. Y, como Einstein explicó en su día, la luz se mueve siempre a la velocidad de la luz. Si pretendemos que un fotón se pare, en lugar de ralentizarse observaremos que desaparece. Y, como se ha dicho al principio, si estos “fotones saltarines”  desaparecieran, toda la materia dejaría de existir.

Su esencia es el movimiento y su misión, según parece, hacer girar la rueda de la existencia.

Ello es así debido al impacto de los fotones sobre las partículas elementales. La energía transmitida por un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda. Cuanto menos longitud de onda, más energía. Así, un fotón de luz visible tiene la energía suficiente para hacer reaccionar a un bastón de la retina. Si nos movemos en el espectro electromagnético, los fotones con longitud de onda ultravioleta pueden expulsar a los electrones de los átomos. Más allá, los rayos gamma pueden romper protones y neutrones…

Y ahora, vayamos al meollo de la cuestión e indaguemos en la cita con que se iniciaba este artículo: ¿qué hace que los electrones absorban y emitan fotones? Esto, en otros términos, vendría a ser lo mismo que preguntarnos: ¿por qué existe nuestro universo?

…con un misterio: el 137…

¿Qué determina el momento exacto en que un electrón emite un fotón? La física cuántica dice que nada lo hace, pues la Naturaleza es caprichosa en sus niveles más elementales. Aunque no es caótica en extremo, sólo probabilística.

A diferencia de la física newtoniana, la mecánica cuántica nunca predice el futuro en función del pasado. En su lugar, ofrece reglas muy precisas para computar la probabilidad de varios resultados alternativos de un experimento.

Y la probabilidad de que un electrón emita o absorba un fotón es la constante de estructura fina. El valor de esa constante es 1/137.

En otras palabras, sólo un afortunado electrón de cada 137 emite un fotón. Este es el significado de alfa: es la probabilidad de que un electrón, cuando se mueve a lo largo de su trayectoria, emita caprichosamente un fotón.

El inverso de la constante de estructura fina es 137. Desde su descubrimiento, éste número ha traído de cabeza a los grandes científicos.

No puedo recordar si fue  Richard Feynman o León Lederman, quien sugirió que todos los físicos pusiesen un cartel en sus despachos o en sus casas que les recordara cuánto es lo que no sabemos. En el cartel no pondría nada más que esto: 137. Ciento treinta y siete es el inverso de algo que lleva el nombre de constante de estructura fina. Este número guarda relación con la probabilidad de que un electrón emita o absorba un fotón. La constante de estructura fina responde también al nombre de alfa, y sale de dividir el cuadrado de la carga del electrón por el producto de la velocidad de la luz y la constante de Planck. Tanta palabra no significa otra cosa sino que ese solo número, 137, encierra los meollos del electromagnetismo (el electrón), la relatividad (la velocidad de la luz) y la teoría cuántica (la constante de Planck). Menos perturbador sería que la relación entre todos estos importantes conceptos hubiera resultado ser un uno o un tres o quizás un múltiplo de pi. Pero ¿137?

denotada g, es un número que determina la fuerza de una interacción) y equivale a 1/137,03599911.

“Lo más notable de este notable número es su a-dimensionalidad. La velocidad de la luz es de unos 300.000 kilómetros por segundo. Abraham Lincoln medía 1,98 metros. La mayoría de los números vienen con dimensiones. Pero resulta que cuando uno combina las magnitudes que componen alfa, ¡se borran todas las unidades! El 137 está solo: se exhibe desnudo a donde va. Esto quiere decir que a los científicos de Marte, o a los del decimocuarto planeta de la estrella Sirio, aunque usen Dios sabe qué unidades para la carga y la velocidad y qué versión de la constante de Planck, también les saldrá 137. Es un número puro.”

(Leon Ledderman, La partícula divina)

Uno de los padres de la mecánica cuántica, Wolfgang Pauli, se obsesionó tanto con este número que dijo que, de poder hacerle una pregunta a Dios, sería esta: “¿Por qué 137?”

Gracias a su gran amistad con Carl G. Jung, Pauli conoció el mundo “alternativo” de los estudios sobre la psique y accedió a la tradición esotérica que ha acompañado al hombre desde el principio de los tiempos. Es así como supo que 137 se aproxima al valor correspondiente al ángulo áureo. Esto es, la versión circular del número áureo  o φ (phi).

              Sin fotones… ¡El Universo sería inestable, sería otro universo diferente!

En realidad, el ángulo de oro es, más o menos, 137,5º, y está presente en todo proceso natural donde se dé una combinación de espirales. Así, por ejemplo, las hojas de una planta surgen a lo largo del tallo cada 137,5º, pues así se logra la mayor eficiencia de espacio y de captación de la luz solar, ya que únicamente con éste ángulo es posible evitar que ninguna hoja obstaculice a las demás en la toma de luz sin que existan espacios muertos o vacíos.

Esta semejanza entre los valores de la constante de estructura fina y el ángulo áureo llevó a la doctora Raji Heyrovska  a buscar el ángulo áureo en el universo atómico (véase versión en español de su estudio).

Que esto sea así no debería extrañarnos, pues si el número áureo es una constante en toda la Naturaleza, su versión angular es la apropiada para estar presente en el universo cuántico, donde, recordemos, los elementos básicos de la realidad se reducen a funciones de onda.

                                          …y un final místico.

Los fotones no tienen masa ni carga eléctrica. Sin embargo, pueden “extraer” del vacío partículas con masa y carga, tanto negativa como positiva.

Más allá de la matería y la energía, del tiempo y del espacio, el concepto de función de onda nos introduce en una realidad abstracta de donde surge todo.Y si, como hemos dicho, a menor longitud de onda mayor energía, también es posible afirmar que, en eso que David Bohm llamaba “orden implicado”, cuanto menor es la longitud de una onda cuántica, mayor es la presencia de masa en el espacio-tiempo.

Para la física, las matemáticas se han mostrado como la realidad que subyace a la materia. Todo se puede reducir a números, entidades que forman y organizan el espacio-tiempo. En este nivel de realidad, ni la materia ni la energía existen como tales, sino que demuestran ser el resultado de la interacción de entidades abstractas.

En esta pasión por los números, no podemos evitar recordar la versión cabalística de la filosofía perenne. Para la Kabbalah, lo divino responde a la “Nada”, ya que lo trascendente no puede ser aprehendido desde nuestra posición en el mundo finito.

En el momento de la Creación, la luz infinita se habría divido, quedando encerrada en conductos que, al romperse, producen la materia y, en definitiva, la fractura de la unidad primordial de la luz.

Esta materia o qelippot, en el sentido de “conchas” o caparazones que “encierran” la luz y rompen la harmonía unitaria de la luz, es el origen del mundo, de su finitud y causa del mal en la realidad no-divina. El mundo creado es así una fractura de la harmonía de la luz que crea la diferenciación y la tensión entre unas cosas y otras: este es el origen del mal, de la falta de armonía que debe recuperarse en el curso de la historia.

La Kabbalah enseña, según esto, el camino para desarrollar la Vasija interior donde recibir la Luz, la cual, según va llenando dicha vasija, nos acerca a la unidad del Espíritu. Es así que la Luz, al tiempo que “absorbida” por el alma, puede ser “proyectada” en el mundo mediante los actos del hombre trascendido.

Que la luz ha sido usada por todos los movimientos espirituales para referirse a lo divino es algo que a nadie se le escapa. La imagen que la Kabbalah ofrece aquí no es muy diferente de la que podríamos encontrar en textos rosacruces o en escritos orientales, entre otros.

Sin embargo, si esta vez he preferido usar el hermetismo hebreo es, como he mencionado, por su pasión hacia los números. Y es que el valor numérico para el término hebreo de “kabbalah” (cuya traducción es “recepción”) es…

como muchos ya sabrán…

Efectivamente…

¡137!

Ciencia y tradición hermética unidas por un número que, en ambas, define la interacción entre luz y materia.

Cosas…

Luz que, también en ambos casos, procede de la Nada.

Decía Jung que el espacio y el tiempo son conceptos hipostasiados, fenómenos que hemos decidido convertir en reales. La física teórica y la consolidación de la mecánica cuántica han dejado claro, a lo largo de las últimas décadas, que toda esta realidad por la que combatimos, matamos, morimos, odiamos, repudiamos, humillamos, codiciamos, envidiamos o ansiamos consiste, simplemente, en Nada.

Nada…

Una ilusión de la psique por la que renunciamos a indagar en el misterio de la Vida y nuestra experiencia momentánea en el espacio-tiempo se convierte en un vagar ausentes, asumiendo que todo es un sinsentido.

A veces, en momentos de bajón, me pregunto si no será por eso por lo que, casi cien años después, nos siguen diciendo que la física cuántica es muy complicada para que lleguemos a entenderla…

Lo más triste, sin embargo, es que lo aceptamos…

Todo esto lo he leído o aprendido de gente que son más sabios que yo, ideas que tienen sus fuentes en trabajos realizados con la misión y el propósito de desvelar los secretos de la Naturaleza para saber, como es el Universo.

Lo conseguiremos alguna ve?

Emilio Silvera Vázquez

El simple hecho de que no podamos verlos, no quiere decir que no existan. Miramos la superficie pero, ¿que puede haber debajo de ella? Delante de nuestros ojos, el inmenso océano de brillo rutilante que recibe los rayos del Sol, el rumor de las olas que vienen hacia la playa, a los lejos, el horizonte siempre inalcanzable… Pero ¿Qué hay debajo de la superficie? El que no podamos contemplarlo no quiere decir que la multiplicidad de formas de vida no estén ahí, en sus habitats ocultos para nosotros.

De la misma manera, existen muchas cosas en el Universo con por una u otra razón, se ocultan a nuestra percepción, y, sin embargo, ahí están.

Además de los cinco sentidos clásicos que todos conocemos, existen otros sentidos que, sin estar a la vista, nos acompañan y nos sirven para poder ahondar en el conocimiento de las cosas: Los “ojos de la Mente”, por medio de la intuición, el presentimiento, una idea fugaz y esclarecedora… ¡Sí, contamos con muchas armas para poder comprender el entorno que nos rodea y, mucho más allá de lo que la vista pueda alcanzar.

Siguiendo con lo que antes decía, está nuestro mundo normal con su complemento entero de partículas y compañeras super-simétricas, y hay, además, un mundo de sombra. La materia en ese mundo de sombra tiene un parecido con la del nuestro en que también tiene sus partículas y “spartículas”. Dentro de cada mundo, las partículas interaccionan unas con otras a través de un complemento entero de cuatro fuerzas. Sin embargo, las partículas de un mundo pueden interaccionar con las del otro mundo sólo a través de la fuerza de gravedad. Un electrón y un selectrón de sombra pueden estar cerca el uno del otro y no sentir una fuerza eléctrica, aunque cada uno de ellos lleve consigo su propia versión de carga eléctrica. La única fuerza entre los dos sería la fuerza relativamente débil de la Gravedad.

Esta imagen de arriba vista una y mil veces, nos quiere transportar a esa materia en la sombra que es parte de ese universo que no podemos ver, y, sin embargo, por mucho que se haya podido hablar de todo esto, lo único cierto es que nada se sabe y a pesar de ello, se hacen afirmaciones categóricas sobre lo que “sólo es una posibilidad” que se ha conjeturado a partir de abservaciones.

La idea de un universo en la sombra nos proporciona una manera sencilla de pensar en la “materia oscura”. El Universo dividido en materia y en materia en la sombra situada en el Tiempo de Planck, y cada una evolucionó de acuerdo con sus leyes propias que le dieron también, sus características propiedades: mientras que la una era luminosa y emitía radiaciones, la otra no lo era y, como consecuencia, no se dejaba ver.

No, esto no es la materia en la sombra de la que estamos tratando.

Existen aspirantes a ser materia en la sombra y, otro “caballero oscuro” lo tenemos en el Axión que es uno de los VIMPs  favoritos como el fotino y otros compañeros, una pléyade de nuevas partículas (también, ¿cómo no?) hipotéticas  que llegaron por consideraciones de simetría. Sin embargo, a diferencia de las partículas, sale de las Grandes Teorías Unificadas, que describen el universo en el segundo 10^-35, más que de las teorías totalmente unificadas que operan en el Tiempo de Planck. La “materia oscura” se ha convertido en un caballo desbocado que nadie sabe hacia donde va, ni dónde pueda estar, ni de qué está formada, ni como se pudo originar… Sigue una larga lista de preguntas y conjeturas que pretenden ser las respuestas.

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

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

El nombre de simetría especular proviene de la imagen obtenida al reflejarse la luz en una superficie plana. Existen numerosos ejemplos de la simetría especular tanto en la naturaleza como en objetos artificiales.

Gráfica de la ruptura de simetría espontánea de la función

La simetría CPT es un principio fundamental de invariancia o simetría de las leyes físicas que establece que bajo transformaciones simultáneas que involucren la inversión de la carga eléctrica, la paridad y el sentido del tiempo las ecuaciones de evolución temporal de un proceso físico y las de un proceso análogo en que:

1. Conjugación de carga (C).Todas las partículas se sustituyen por sus correspondientes antipartículas.
2. Inversión de paridad (P). Se invierte la paridad espacial de proceso (esto tiene que ver con el intercambio de derecha e izquierda, y con el cambio en el espín de las partículas).
3. Inversión temporal (T). Se invierte el sentido del tiempo.

son invariantes y vienen descritos por las mismas ecuaciones y arrojan los mismos resultados. Este último resultado se conoce como teorema CPT que afirma que toda la teoría cuántica de campos local que presente covariancia de Lorentz y venga definida por un Hamiltoniano hermítico, es invariante bajo una transformación CPT.

Un alto en el camino para una explicación: Dado que la antimateria tiene la misma masa que la materia, es decir son de la misma magnitud y signo (la definición de masa es positiva siempre), el efecto gravitacional de la antimateria no debe ser distinto de la materia, es decir, siempre sera un efecto atractivo. Pero, ¿acaso no importa la equivalencia establecida de antipartícula viajando al futuro = partícula viajando al pasado?

Estas medidas de alta precisión de la estructura hiperfina del anti-hidrógeno permiten verificar la simetría CPT con gran sensibilidad.

La respuesta es sí. Dicha equivalencia proviene de algo llamado simetría CPT (Charge-Parity-Time), y nos dice que la equivalencia entre las partículas y antipartículas no solo corresponde a realizar una transformación sobre la carga, sino también sobre la paridad y el tiempo. La carga no afecta la gravedad, pero la paridad y el tiempo si la afectan. En otras palabras, al modificarse el tiempo (poner el tiempo al revés) y el espacio (la paridad es “girar” el espacio), estamos alterando el espacio-tiempo, y como la teoría general de la relatividad lo afirma, es la geometría de este el que determina la gravedad. Pero, a la larga, la geometría vendrá dada por la cantidad de materia que el universo pueda contener.

Reflexión especular

Se pensaba que el mundo era simétrico respecto a CPT porque, al menos al nivel de las partículas elementales, era simétrico respecto a C, P y T independientemente. Ha resultado que no es este el caso. El mundo visto en un espejo se desvía un tanto del mundo visto directamente, y lo mismo sucede con el mundo visto cuando la partícula pasa al revés. Lo que sucede es que las desviaciones entre el mundo real y el universo en cada uno de esos casos se cancelan una a la otra cuando miramos las tres inversiones combinadas.

Aunque esto es verdad, también es verdad que el mundo es casi simétrico respecto a CP actuando solos y a T actuando solo; es decir, que el mundo es casi el mismo si lo miran en un espejo y sustituyen las partículas por antipartículas que si lo miran directamente. Este “casi” es lo que preocupa a los físicos. ¿Por qué son las cosas casi perfectas, pero les falta algo?

Los axiones se propusieron por primera vez a finales de la década de 1970 para resolver un misterio en la física de partículas conocido como el problema CP fuerte, aunque más recientemente se han propuesto como candidatos para la materia oscura, que es la misteriosa sustancia que forma casi un cuarto de la masa/energía del universo. Si existen, los axiones sería muy ligeros e interaccionarían muy débilmente con la materia – propiedades que hacen que sean difíciles de encontrar. De hecho, ningún experimento en la Tierra ha descubierto por ahora pruebas de los axiones.

Los cálculos de los cosmólogos muestran que en un universo en expansión como lo es el nuestro, sería de esperar que los Axiones (si realmente existen) formen una radiación de fondo parecida a la radiación de microondas de fondo de tres grados. Las irregularidades en este fondo de Axiones lo que pueden desempeñar el papel de la “materia oscura”.

¿Estamos perdidos y hablamos de fotinos,  squarks, etc. Estas partículas que son predichas por las teorías que unifican todas las fuerzas de la naturaleza. Forman un conjunto de contrapartidas de las partículas a las que estamos habituados y que nos son bien conocidas. Se nombran en analogía a sus compañeras : el squars es el compañero supersimétrico del quark, el fotino del fotón, etxc. Las más ligeras de estas partículas ¿podrían ser la materia oscuira?. Si es así, cada partícula probablemente pesaría al menos cuarenta veces más que un protón.

Así que hablamos de “Materia en la Sombra” en algunas versiones de la Teoría de Supercuerdas en las que existen  universos de materia en   la Sombra que existen paralelos al nuestro. Los dos universos separados cuando la Gravedad se congeló separándose de las otras fuerzas. Las partículas de sombra interaccionan con nuestro mundo, sólo a través de la Gravedad y, algunos creen que son, las candidatas perfectas para ocupar el sitio de la “materia oscura”.

Algunos hasta se atreven a mostrarnos la distribución de WIMPs en la Galaxia

¿WIMPs en el Sol?

Hasta el momento, todas las partículas “raras” que hemos mencionado aquí, como posibles candidatas a ser “materia oscura”, son hipotéticas. No hay pruebas de que ninguna de ellas se vayan a encontrar, de hecho, en la Naturaleza. Sin embargo, sería poco serio no prestar alguna atención a la idea y a los argumentos que con ella van aparejados -un diminuto rayo de esperanza- viene a apoyar la existencia de WIMPs.

De hecho, la polémica es continuada y no dejan de salir noticias sobre estos extraños objetos:

El experimento italiano DAMA/LIBRA ha venido detectando una modulación anual en la detección de unas partículas que podrían ser WIMPs durante los últimos tiempos. Sin embargo, otros grupos de investigación no lograban ver lo mismo. Ahora, el grupo de investigadores del experimento CoGeNT informa que están viendo una señal similar a la detectada por los italianos, por lo que se confirmarían sus resultados…”

Más de lo mismo, nadie se pone de acuerdo, unos dicen una cosa y los otros la contraria y, mientras tanto, “Científicos” bien situados, que ganan bastante dinero por asistir y hablar, nos van contando en charlas y siminarios, todas esas cuestiones que, sobre los WIMPs, las partículas super-simétricas, los Universos en Sombra, la Materia Oscura y, toda esa pléyade de fascinantes incongruencias, tanto les gusta oir al público en general.

Pues, siendo así (que lo es), sigamos suponiendo, conjeturando, intuyendo y teorizando pero, por favor, con cierto decoro.

¡Como somos! ¿Qué haríamos sin imaginar?

Emilio Silvera V.

Los cúmulos globulares aparecen como brillantes aglomeraciones de hasta un millón de estrellas antiguas, son uno de los objetos más antiguos del Universo. Si bien están presentes en gran cantidad alrededor y dentro de muchas galaxias, los ejemplares recién nacidos son extremadamente raros y las condiciones necesarias para su aparición no habían sido detectadas hasta ahora.

Usando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), en Chile, un grupo de astrónomos descubrió lo que podría ser el primer cúmulo globular a punto de nacer que se conozca: una nube de gas molecular increíblemente masiva y densa pero aún sin estrellas.

“Podemos estar en presencia de uno de los más antiguos y extremos modos de formación estelar en el Universo”, dijo el astrónomo Kelsey Johnson, de la Universidad de Virginia en Charlottesville y autor principal de un artículo que será publicado en el Astrophysical Journal. “Este interesante objeto parece arrancado directamente del Universo temprano”, agrega Johnson, “descubrir un objeto que tiene todas las características de un cúmulo globular, pero que aún no haya comenzado a formar estrellas, es como encontrar un huevo de dinosaurio a punto de eclosionar”.

Este objeto, al que el astrónomo se refiere irónicamente como el Petardo, se encuentra a aproximadamente 50 millones de años luz, al interior de una famosa dupla de galaxias en colisión (NGC 4038 y NGC 4039) conocidas como las galaxias Antena. Las fuerzas gravitacionales generadas por el proceso de fusión entre ambas están desencadenando una cantidad colosal de formaciones estelares, gran parte de ellas al interior de densos cúmulos.

Pero lo que hace único al Petardo es su enorme masa concentrada en un espacio relativamente pequeño y sin la presencia de estrellas en él. Todos los cúmulos similares observados anteriormente por los astrónomos están repletos de estrellas. El calor y la radiación de esas estrellas han alterado considerablemente el ambiente circundante, borrando cualquier evidencia de sus fríos y tranquilos inicios.

Gracias a ALMA, los astrónomos pudieron encontrar y estudiar detalladamente un ejemplo prístino de un cúmulo en su estado original, antes que las estrellas cambien para siempre sus características únicas. Esto proporcionó a los astrónomos un primer vistazo de las condiciones que pueden haber llevado a la formación de muchos cúmulos globulares (si no todos).

  Átomos, Isótopos, Química, Elementos

Este es el Modelo adoptado para el surgir del Universo que nos acoge y, aunque algunos cabos quedan sueltos, es lo que más se asemeja a las observaciones y pruebas realizadas que coinciden con éste suceso creador del Universo al que pertenecemos.

dependiendo de la masa que contiene, así será el universo en el que estamos

Puede que todo surgiera a partir de esa densidad infinita. Allí comenzó el Tiempo y el nuevo universo se expandió, se crearon las partículas de materia, que se juntaron para formar los núcleos que al verse arropados por los electrones con sus cargas negativas, venían a equilibrar las positivas de los protones y, de esa manera, se pudieron univer para formar moléculas y materia. Sustancia cósmica primero, estrellas y galaxias después, y, dentro de todo eso, los mundos y la vida. Pensando en todo esto, a uno se le viene a la cabeza pensamientos del pasado, enseñanzas escolares y preguntas que no tienen respuestas.

“¿Dónde estabas tú cuando yo puse los cimientos de la Tierra? Dilo si tienes entendimiento.” Claro que a esta pregunta, lo único que podríamos contestar sería:

¿Quién sabe realmente? La especulación sobre el origen del universo es una vieja actividad humana que está sin resolver, ya que, pretendemos saber algo que no sabemos si llegó a ocurrir, toda vez que incluso, podría ser, que el universo esté aquí desde siempre. Y, si llegó como algo nuevo, tampoco sabemos, a ciencia cierta, cómo y de dónde lo hizo. Pero, nosotros, los humanos, no dejamos de especular con esta cuestión de compleja resolución y dejamos volar nuestra imaginación en forma de conjeturas y teorías que, no siempre son el fiel reflejo de lo que pudo pasar que, de momento, permanece en el más profundo anonimato.

Claro que, la Humanidad y el Universo están tan juntos, tan conectados que, sería imposible que no hablaran de él, y, sobre todo, que no trataran de saber su comienzo (si es que lo hubo) y, hurgar en su dinámica para poder entender nuestra presencia aquí junto con las estrellas de las que procedemos y de las galaxias que son las villas del Universo que alojan a cientos de millones de mundos habitados que, como la Tierra, tienen otras criaturas que también, ellas se preguntan por el principio y el final para poder conocer sus destinos.

       Está claro que de la nada… Nada pudo surgir, y, si surgió… ¡Es porque había!

Algunos nos dicen que el Universo surgió de la “Nada” y, está claro que la Nada no puede existir y, si surgió es porque había, con lo cual, la Nada queda invalidada. Pero, si hubo un suceso de creación, ¿que duda nos puede caber de que tuvo que haber una causa? Lo cierto es que, en las distintas teorías de la “creación” del universo, existen muchas reservas.

No obstante tales reservas, unos pocos científicos trataron de investigar la cuestión de cómo pudo haberse originado el universo, aunque admitiendo que sus esfuerzos quizás eran “prematuros”, como dijo Weinberg con suavidad. En el mejor de los casos, contemplado con una mirada alentadora, el trabajorealizado hasta el momento, parece haber encendido una lámpara en la antesala de la génesis. Lo que allí quedó iluminado era muy extraño, pero era, en todo caso, estimulante. No cabía descubrir algo familiar en las mismas fuentes de la creación.

Hemos podido contemplar como en la Nebulosa del Águila nacen nuevas estrellas masivas. Sin embargo, no hemos llegado a poder saber, con certeza como surgió el Universo entero y de dónde y porqué lo hizo para conformar un vasto espacio-tiempo lleno de materia que evolucionaría hasta poder conformar las estrellas y los mundos en enormes galaxias, y, en esos mundos, pudieron surgir criaturas que, conscientes de SER, llegaron desde un nivel animal rudimentario, hasta los más sofisticados pensamientos que les hicieron preguntarse: ¿Quiénes somos, de dónde venimos, hacia dónde vamos? Y, esas preguntas, realizadas 14.000 millones de años después del comienzo del tiempo, y  junto a la pregunta del origen del Universo, todavía, no han podido ser contestadas. Nuestro intelecto evoluciona pero, sus límites son patentes.

Las estrellas nacen en densas nubes de gas molecular y polvo. Cuando la densidad local es lo suficientemente alta, gracias a la gravedad…

Una estrella que se forma en la Nebulosa comienza siendo protoestrellas y, cuando entra en la secuencia principal, brilla durante miles de millones de años durante los cuales crea nuevos elementos a partir del más sencillo, el Hidrógeno. Los cambios de fase que se producen por fusión en el horno nuclear de las estrellas, son los que han permitido que existieran los materiales necesarios para la química de la vida que, al menos hasta donde sabemos, no apareció en nuestro planeta Tierra, hasta hace unos 4.o0o millones de años, y, desde entonces, ha estado evolucionando para que ahora, nosotros, podamos preguntas, por el origen del universo.

Los científicos han imaginado y han puesto sobre la mesa para su estudio, dos hipótesis, la llamada génesis del vacío, y la otra, génesis cuántica y ambas, parecían indicar mejor lo que el futuro cercano podía deparar al conocimiento humano sobre el origen del Universo.

La Génesis de vacío: El problema central de la cosmología es explicar como algo surge de la nada. Por “algo” entendemos la totalidad de la materia y la energía, el espacio y el tiempo: el universo que habitamos. Pero la cuestión de lo que significa NADA es más sitíl. En la ciencia clásica, “nada” era un vacío, el espacio vacío que hay entre dos partículas de materia. Pero esta concepción siempre planteaba problemas, como lo atestigua la prolongada indagación sobre si el espacio estaba lleno de éter, y en todo caso no sobrevivió al advenimiento de la física cuántica.

El vacío cuántico nunca es realmente vacío, sino que resoba de partículas “virtuales”. Las partículas virtuales pueden ser concebidas como la posibilidad esbozada por el principio de indeterminación de Heisenberg de que una partícula “real” llegue en un tiempo determinado a un lugar determinado. Como las siluetas que salen de pronto en un campo de tiro policial, representan no sólo lo que es sino también lo que podría ser. Desde el punto de vista de la física cuántica, toda partícula “real” está rodeada por una corona de partículas y antipartículas virtuales que borbotean del vacío, interaccionan unas con otras y luego desaparecen.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo temporalmente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas” del espacio, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones “vecinas”. Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío, las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas regiones vecinas de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? Sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que los movimientos de degeneración claustrofóbicos son para los electrones. Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de neutrones mantiene estable a la estrella de neutrones, que obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo la estrella.

Una cosa sí sabemos, las reglas que gobiernan la existencia de las partículas virtuales se hallan establecidas por el principio de incertidumbre y la ley de conservación de la materia y de la energía.

En un nuevo estudio, un grupo de físicos ha propuesto que la gravedad podría disparar un efecto desbocado en las fluctuaciones cuánticas, provocando que crezcan tanto que la densidad de energía del vacío del campo cuántico podría predominar sobre la densidad de energía clásica. Este efecto de predominancia del vacío, el cual surge bajo ciertas condiciones específicas pero razonables, contrasta con la ampliamente sostenida creencia de que la influencia de la gravedad sobre los fenómenos cuánticos debería ser pequeña y subdominante.

Claro que, hablar aquí del vacío en relación al surgir del universo, está directamente asentado en la creencia de algunos postulados que dicen ser posible que, el universo, surgiera de una Fluctuación de vacío producida en otro universo paralelo y, desde entonces, funciona de manera autónoma como un nuevo universo de los muchos que son en el más complejo Metaverso.

Inmediatamente después de que la llamada espuma cuántica del espacio-tiempo permitiera la creación de nuestro Universo, apareció una inmensa fuerza de repulsión gravitatoria que fue la responsable de la explosiva expansión del Universo primigenio (inflación(*)).Las fluctuaciones cuánticas del vacío, que normalmente se manifiestan sólo a escalas microscópicas, en el Universo inflacionario en expansión exponencial aumentaron rápidamente su longitud y amplitud para convertirse en fluctuaciones significativas a nivel cosmológico.

                 Lo de la singularidad es difícil de digerir

En el Modelo corriente del big bang que actualmente prevalece y que, de momento, todos hemos aceptado al ser el que más se acerca a las observaciones realizadas, el universo surgió a partir de una singularidad, es decir, un punto de infinita densidad y de inmensa energía que, explosionó y se expansionó para crear la materia, el espacio y el tiempo que, estarían gobernados por las cuatro leyes fundamentales de la naturaleza:

Fuerzas nucleares débil y fuerte, el electromagnetismo y la Gravedad. Todas ellas, estarían apoyadas por una serie de números que llamamos las constantes universales y que hacen posible que nuestro universo, sea tal como lo podemos contemplar. Sin embargo, existen algunas dudas de que, realmente, fuera esa la causa del nacimiento del Universo y, algunos postulan otras causas como transiciones de fase en un universo anterior y otras, que siendo más peregrinas, no podemos descartar.

Nosotros, estamos confinados en el planeta Tierra que es un mundo suficientemente preparado para acoger nuestras necesidades físicas, pero, de ninguna manera podrá nunca satisfacer nuestras otras necesidades de la Mente y del intelecto que produce imaginación y pensamientos y que, sin que nada la pueda frenar, cual rayo de luz eyectado desde una estrella masiva refulgente, nuestros pensamientos vuelan también, hacia el espacio infinito y con ellos, damos rienda suelta a nuestra más firme creencia de que, nuestros orígenes están en las estrellas y hacia las estrellas queremos ir, allí, amigos míos, está nuestro destino.

El Universo es grande, inmenso, casi infinito pero, ¿y nosotros? Bueno, al ser una parte de él, al ser una creación de la Naturaleza, estamos formando parte de esta inmensidad y, precisamente, nos ha tocado desempeñar el papel de la parte que piensa, ¿tendrá eso algún significado?

Yo, no lo sé… Pero… ¿¡Quién sabe realmente!?

Emilio Silvera Vázquez