Interacciones en la naturaleza

 Albert Einstein habría dicho que “es más importante la imaginación que el conocimiento”, el filósofo Nelson Goodman ha dicho que “las formas y las leyes de nuestros mundos no se encuentran ahí, ante nosotros, listas ser descubiertas, sino que vienen impuestas por las versiones-del-mundo que nosotros inventamos – ya sea en las ciencias, en las artes, en la percepción y en la práctica cotidiana-.”

Sin embargo yo, humilde pensador, me decanto por el hecho cierto de que, nuestra especie,  siempre llegó al conocimiento a través de la imaginación y la experiencia primero, a la que más tarde,  acompañó largas secciones de estudio y muchas horas de mediatación y, al final de todo eso, llego la experimentación que hizo posible llegar a lugarés ignotos que antes nunca, habían podido ser visitados. De todo ello, pudieron surgir todos esos “nuevos mundos” que, como la Mecanica Cuántica y la Relatividad, nos describían el propio mundo que nos era desconocido.

Cuando comencé éste trabajo sólo quería dar una simple explicación de los bosones y su intervención en el mundo de lo muy pequeño pero…

      Demócrito de Abdera

No estaría mal echar una mirada hacia atrás en el tiempo y recordar, en este momento, a Demócrito que, con sus postulados, de alguna manera venía a echar un poco de luz sobre el asunto, dado que él decía que  para determinar  si algo era un á-tomo habría que ver si era indivisible. En el modelo de los quarks, el protón, en realidad, un conglomerado pegajoso de tres quarks que se mueven rápidamente. Pero como esos quarks están siempre ineludiblemente encadenados los unos a los otros, experimentalmente el protón aparece indivisible.

Acordémonos aquí de que Boscovich decía que, una partícula elemental, o un “á-tomo”, tiene que ser puntual. Y, desde luego, esa , no la pasaba el protón. El equipo del MIT y el SLAC, con la asesoría de Feynman y Bjorken, cayó en la cuenta de que en este caso el criterio operativo era el de los “puntos” y no el de la indivisibilidad. La traducción de sus a un modelo de constituyentes puntuales requería una sutileza mucho mayor que el experimento de Rutherford.

Precisamente por eso era tan conveniente fue tan conveniente para Richard Edward Taylor y su equipo, tener a dos de los mejores teóricos del mundo en el equipo aportando su ingenio, agudeza e intuición en todas las fases del proceso experimental. El resultado fue que los indicaron, efectivamente, la presencia de objetos puntuales en movimiento dentro del protón.

En 1990 Taylor, Friedman y Kendall recogieron su premio Nobel por haber establecido la realidad de los quarks. Sin embargo, a mí lo que siempre me ha llamado más la atención es el hecho cierto de que, este descubrimiento como otros muchos (el caso del positrón de Dirac, por ejemplo), han posible gracias al ingenio de los teóricos que han sabido vislumbrar cómo era en realidad la Naturaleza.

A todo esto, una buena sería: ¿cómo pudieron ver este tipo de partículas de tamaño infinitesimal, si los quarks no están libres y están confinados -en este caso- dentro del protón?  Hoy, la tiene poco misterio sabiendo lo que sabemos y hasta donde hemos llegado con el LHC que, con sus inmensas energías “desmenuza” un protón hasta dejar desnudos sus más íntimos secretos.

                    Este es, el resultado ahora de la colisión de protones en el LHC

Lo cierto es que, en su momento, la teoría de los Quarks hizo muchos conversos, especialmente a medida que los teóricos que escrutaban los fueron imbuyendo a los quarks una realidad creciente, conociendo mejor sus propiedades y convirtiendo la incapacidad de ver quarks libres en una virtud. La de moda en aquellos momentos era “confinamiento”. Los Quarks están confinados permanentemente porque la energía requerida para separarlos aumenta a medida que la distancia entre ellos crece. Esa es, la fuerza nuclear fuerte que está presente dentro del átomo y que se encarga de transmitir los ocho Gluones que mantienen confinados a los Quarks.

Así, cuando el intento de separar a los Quarks es demasiado intenso, la energía se vuelve lo bastante grande para crear un par de quark-anti-quark, y ya tenemos cuatro quarks, o dos mesones. Es como intentar un cabo de cuerda. Se corta y… ¡ya tenemos dos!

¿Cuerdas? Me parece que estoy confundiendo el principal objetivo de este trabajo y, me quiero situar en el tiempo futuro que va, desde los quarks de Gell-Mann hasta las cuerdas de Veneziano y John Schwarz y más tarde Witten. Esto de la Física, a veces te juega malas pasadas y sus complejos caminos te llevan a confundir conceptos y  momentos que, en realidad, y de manera individualizada, todos han tenido su propio tiempo y lugar.

¿Cuántas veces no habré pensado, en la posibilidad de tomar el elixir de la sabiduría para poder comprenderlo todo? Sin embargo, esa pósima mágica no existe y, si queremos , el único camino que tenemos a nuestro alcance es la observación, el estudio, el experimento… ¡La Ciencia!, que en definitiva, es la única que nos dirá como es, y como se producen los fenómenos que podemos contemplar en la Naturaleza y, si de camino, podemos llegar a saber el por qué de su comportamiento… ¡mucho mejor!

       El camino será largo y, a veces, penoso pero… ¡llegaremos!

Nuestra insaciable curiosidad nos llevará lejos en el saber del “mundo”. llegaremos al corazón mismo de la materia para conmprobar si allí, como algunos imaginan, habitan las cuerdas vibrantes escondidas tan profundamente que no se dejan ver. Sabremos de muchos mundos habitados y podremos hacer ese primer contacto tántas veces soñado con otros seres que, lejos de nuestro región del Sistema solar, también, de manera independiente y con otros nombres, descubrieron la cuántica y la relatividad. Sabremos al fín qué es la Gravedad y por qué no se dejaba juntar con la cuántica. Podremos realizar maravillas que ahora, aunque nuestra imaginación es grande, ni podemos intuir por no tener la información necesaria que requiere la imaginación.

En fín, como decía Hilnert: ¡”Tenemos que saber, sabremos”!

emilio silvera

El éxito alcanzado por la Física desde finales del siglo XIX hasta esta primera década del siglo XXI no sólo ha transformado nuestra concepción del espacio-tiempo, sino que ha llegado a poner en nuestras mentes una nueva percepción de la Naturaleza: la vieja posición central que asignábamos a la materia ha cedido su lugar a los principios de simetría, algunos de ellos ocultos a la vista en el estado actual del Universo.

Está claro que, los físicos, cada día más ambiciosos en su “querer saber” y su “querer descubrir”, buscan sin descanso nuevos caminos que les lleve a desvelar ocultas maravillas que tienen su hábitat natural en lo más profundo de la Naturaleza misma de la que no sabemos, aún, entender todas sus voces.

Son muchos los obstáculos que se encuentran en ese camino que nos lleva inexorable hacia esa soñada teoría final. Los científicos discrepan de los filósofos que no siempre, están de acuerdo con el hecho de que se pueda llegar a esa teoría última que lo pueda explicar todo, y, la firme creencia de que el Universo siempre tendrá secretos para nosotros, es una constante de la filosofía que la Ciencia, no deja de combatir.

        Representación en 3D de la primera colisión en ATLAS. Más imágenes en ATLAS event displays.

Estamos embarcados en una enorme aventura intelectual que eleva al ser humano a la categoría más alta que en el Universo pueda. La Física de altas energías nos llevan a conocer las entrañas de la materia y nos cuenta como se producen esas interacciones en el corazón de los átomos y aunque no sabemos cómo puedan ser las leyes finales ni cuanto será el tiempo que tardaremos en encontrar las pistas que nos guíen por el camino correcto, lo cierto es que, el progreso continúa y cada vez se construyen aceleradores más potentes y sofisticados y telescopios más modernos y con mayor capacidad para transportarnos hacia regiones profundas del Universo en las que podemos contemplar galaxias situadas muy cerca de ese comienzo que llamamos Big Bang.

Como no podía ser de otra manera dado nuestro carácter siempre dispuesto a la controversia y nuestras mentes de pensamientos diversos, la propia idea de una teoría final nos ha llevado a la más profunda discrepancia entre unos y otros. Por una parte, están los partidarios de esa teoría que nos podrá hablar de un Universo de más altas dimensiones, donde la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica de Planck, conviven en la soñada concordia que muchos físicos han soñado y, por la otra, están aquellos que discrepando de los primeros se agarran al pensamiento de la imposibilidad de conseguir una teoría de esas características y, ellos hablan de física-ficción.

Lo cierto es que, a pesar de lo que digan los detractores de estas ideas avanzadas (no pocas veces por envidia y por el simple hecho de que ellos no tienen la capacidad de entender los nuevos conceptos y sus complejas matemáticas), la Física prosigue su camino y en no pocos campos, la lista de los Grupos Especializados que existen en la RSEF es un ejemplo del lugar que la Física ocupa en el ámbito de la Ciencia y en la Sociedad en todo el mundo civilizado.

Real Sociedad Española de Física

Grupos Especializados dentro de la RSEF:

De Adsorción, de Astrofísica, de Calorimetría y Análisis Térmico, de Coloides e interfases, de Cristalografía y crecimiento cristalino, de Didáctica e Historia de la Física y la Química, de la Física Atómica y Molecular, de la Física del Estado Sólido, de la Física en las Ciencias de la Vida, de Física Estadística y No Lineal, de Física de Altas Energías, de Física de la Atmósfera y del Océano, de Física de Polímeros, de Física Médica, de Física Nuclear, de Física Teórica, de Información Cuántica, de Materiales Moleculares, de Reología, de Termodinámica… Yo estoy adscrito a los Grupos especializados de Física Teórica y Astrofísica que son las dos disciplinas que más me gustan.

Todo esto demuestra el enorme interés que la Física tiene en todos y cada uno de los apartados que la puedan afectar y, lo mismo trata de conseguir un líquido de quarks y gluones que, a temperatura ambiente se convierta en el mejor superconductor, que encontrar el Bosón de Higgs para completar y mejorar el Modelo Estándar, investigar en los campos del electromagnetismo y de la radiación con la mirada puesta en la salud con fines médicos que hagan mejor nuestras vidas (tomografía por emisión de positrones computerizada: un buen uso, no un abuso, de la radiación ionizante, neuroimagen por resonancia magnética, estudio de fisiología cardíaca mediante Ecocardiografía Doppler, Radioterapia con radiación sincrotrón, radioterapia del melanoma ocular, una perspectiva de la biología y la medicina desde la teoría del caos y la geometría fractal, etc. etc.), innumerables y sustanciosas colaboraciones con la Astronomía (Astrofísica), con las ciencias de la vida (Biofísica) y, sería interminable la lista de aquellos apartados del saber de la Humanidad en los que la Física está presente.

Independientemente de los muchos proyectos en marcha (ordenadores cuánticos, energía de vacío, semiconductores magnéticos diluidos (materiales para la espintrónica), nanotecnología y nanociencia, modelos de las dinámicas de las ondulaciones en la nanoarena, materia extraña, tecnologías de la telecomunicación y de la información, capacidad de almacenar información, física de fluidos, estudios del efecto de la irradiación sobre el metano, la física de materiales, teletransportación cuántica, estudio del cristal aperiódico de la vida, interacciones fundamentales, sensores de radiación y detección de alimentos irradiados, simetrías exóticas, fibras ópticas, nanotubos… y seguir enumerando lo que la Física es y la infinidad de campos en los que interviene requeriría muchas horas y muchas páginas de las que no disponemos.

Desde lo peuqeño a lo grande, todo está hecho de lo mismo

      No prestamos atención pero el futuro se nos echa encima para hacerse presente

 Hemos llegado a saber desde lo muy grande hasta lo muy pequeño que, estando en este mundo nuestro, parece que están en diferentes mundos, toda vez que, lo uno se sitúa en el macro mundo, mientras que lo otro está situado en ese otro “universo” inifinitesimal de la cuántica. Sin embargo, ambos “mundos” no han dejado nunca de estar conectados y todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. La técnica avanza y los conocimientos nuevos nos posibilitan hacia un futuro que ni podemos imaginar.

A todo esto, nos damos de bruce con problemas tan complejos que la idea que podemos tener hoy de la realidad que sea compatible con los más recientes resultados teóricos y experimentales de la mecánica cuántica. Yo tengo amigos banqueros, Ingenieros, oficinistas, constructores, camareros, mecánicos o marineros que, cuando se les habla de estos temas, miran para otro lado y silban. Poca gente se interesa por estos asuntos que, de su enorme importancia, no sólo depende nuestro bienestar, sino que, en esos conocimientos reside el futuro de la Humanidad.

Si profundizamos, por curiosidad, en los conocimientos que actualmente tenemos de la Astronomía y de la Física o la Química (siempre acompañadas de los números), veremos con admiración que las semillas se pusieron hace ya más de 2.500 años, cuando Tales, Anaximandro o Anaxímes sintieron la curiosidad de conocer y miraron el mundo desde la lógica y, dentro de sus posibilidades trataron de desvelar los secretos de la Naturaleza. Allí, en ese momento, nacio la Ciencia, o, incluso puede que antes en aquellos pensadores de Oriente que ya hablaron de vacío y de átomos y también, de sustancia cósmica.

A medida que el tiempo avanzó, nos dimos cuenta de que, nuestras experiencias cotidianas se alejaban del mundo real y, nuestro sentido común, no siempre nos guiaba en la correcta dirección para poder comprender el mundo. Con frecuencia nos preguntamos: ¿Qué es lo real? ¿Si dentro de nuestras mentes conformamos un “universo” a la medida de nuestras limitaciones –por falta de los datos que nos impide ver la realidad-, cómo podremos llegar a saber la clase de Universo que nos acoge? Aquí nos topamos con el determinismo.

Por lo que se refiere al Universo, caben dos posibilidades: o existe desde siempre o ha tenido un comienzo. ¿Tendría sentido pensar que existió desde siempre? Y, si no ha existido desde siempre, quiere decir que ha tenido un comienzo. ¿Qué había antes? Tal vez nada. Sin embargo, la Física nos dice que la “NADA” no existe y, en ese caso, lo único que podemos hacer es preguntarnos, ¿De dónde salió? Y si había algo que lo formó, ¿Cómo podemos hablar de un comienzo?, ¿No habría que tratar de ir hacia atrás y, buscar el verdadero origen que lo formó? Ante todo esto volvemos al hecho de que el determinismo se refiere a dos cosas a la vez:

1. si todo acontecer natural y
2. si todo acontecer humano

Deben estar previamente determinados por unos antecedentes y, el determinismo  debe quedar, en su caso, circunscrito al acontecer natural. Si así fuera, tendríamos libertad en nuestras decisiones, pero esto implicaría que entre nuestros constituyentes debería haber una “sustancia” que se sustrae el determinismo, lo cual introduciría el interesantísimo problema del dualismo materia-mente, en la tradición de Platón, Descartes y sobre todo Kant. Aunque, finalmente, tiendo a pensar que no existe nada que no esté escrito en las leyes de la Física y de la Química. Además, si la vida es diferente en este aspecto, ¿Dónde está el borde o el final de lo que el Universo pueda o no pueda hacer? ¿En el Homo Sapiens? ¿Es la propia vida la que pone límites a la creación?

Saber para poder responder estas preguntas, la verdad, no sabemos y, es precisamente por eso, por nuestra enorme falta de conocimientos por lo que no paramos de buscar esas respuestas a preguntas que bullen dentro de nuestras mentes y, tengo la esperanza de que, un día, lejano aún en el futuro, si no al completo, si obtendremos una respuesta satisfactoria que, al menos, sacie nuestra curiosidad y, llegados a ese punto o alto nivel del saber, las cosas serán más tranquilas, los conocimientos nos llegaran escalonados y en los momentos precisos en los que la Naturaleza sepa que, ese saber, ya no nos podrá hacer daño alguno, pues, nuestra capacidad para entonces podrá manejar fuerzas y energías que hoy por hoy, nos destruirían.

emilio silvera

 Sobre el Modelo Estándard de la Física

Existen límites a los que aún no han podido llegar nuestras teorías, y, el Límite de Planck es el que marca las fronteras de las teorías actuales que, nunca han podido llegar tan lejos como lo que nos dice simple ecuación:

Un día de 1.900, se publicó un artículo de ocho páginas que sentaron las bases de la Mecánica Cuántica. Su autor, Max Planck, cambió conceptos clásicos traernos una nueva visión del universo infinitesimal (10 con exponente -35 m.) a una distancia conocida como límite de Planck , mucho más allá de donde los Quarks están confinados en tripletes formando protones y neutrones y la fuerza nuclear fuerte tiene su dominio y se deja sentir a través de los bosones portadores, los Gluones.

Los agujeros de gusano del inter-universo que asocian un universo con otro diferente y son denominados agujeros de gusano de Schwarzschild. Esto nos permite especular si tales “pasajes” podrían usarse para viajar de un universo a otro paralelo. Otra aplicación de estos túneles cósmicos podría ser el viaje en el tiempo. En ese caso sería un atajo para desplazarse de un punto espaciotemporal a otro diferente. En la teoría de cuerdas un agujero de gusano es visualizado como la conexión dos D-branas, donde las bocas están asociadas a las branas y conectadas por un tubo de flujo. Se cree que los agujeros de gusano son una consecuencia de la espuma cuántica o espaciotemporal.

El vacío estable y absoluto de Newton, con trayectorias continuas y determinadas, ha dejado paso al vacío cuántico asociado a unas extrañas trayectorias (*) discontinuas y fracturadas, llamadas por ello trayectorias fractales (no son propiamente trayectorias). La existencia del cuanto de acción o constante de Planck (se llama acción al producto de una energía por un tiempo), base de la física cuántica, es la causa de ese cambio fundamental, y de otros muchos, con profundas consecuencias. Mediante la geometría fractal, este marco nos ofrece nuevas e interesantes perspectivas.

Planck, nos habló del “cuanto” de acción h, y nos dijo que la energía se transmite en paquetes de manera discontinua. Aquello, asombró al mundo y el mismo Planck fue consciente de que, sus creencias sobre la Física, a partir de ese momento, serían otras.

Inspirado en el de Planck, Albert Einstein desarrollo un sobre el “Efecto Fotoeléctrico ” – que le valió el Nobel de Física de 1.921 – y, contribuyó de manera activa al desarrollo de la Mecánica Cuántica que, más tarde, combatió.

La noción del entrelazamiento cuántico es una idea nada nueva que se remonta a principio del siglo XX, a 1900, cuando el físico alemán Max Planck, considerado el padre de la teoría cuántica, propuso que no podemos hablar de una cantidad infinita de energía, sino que se transmite en pequeñas cantidades o paquetes llamados cuantos. En 1905, Albert Einstein, basándose en los experimentos de otro gran físico, Philipp Lenard, sobre el efecto fotoeléctrico, propuso que las ondas de luz se pueden propagar como ondas y como partículas al mismo tiempo. De hecho, propuso al fotón como la partícula portadora de la luz.

Llegaron nuevos Físicos como Werner Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Feynman y otros que, desarrollaron lo que hoy conocemos como Mecánica Cuántica. Heisenberg con su Principio de Incertidumbre nos demostró que no podíamos saberlo todo al mismo tiempo. Si queremos conocer la situación de un electrón y para ello utilizamos un microscopio electrónico, el mismo hecho de su utilización transformará el medio observado, ya que, los fotones enviados por el microscopio cambiarán la dirección de dicho electrón. De esta manera, podemos saber dónde está, pero no sabremos a donde se dirige.

Schrödinger, con su función de onda, nos dio una buena herramienta buscar la partícula mediante un sistema de alta probabilidad de su situación.

La Mecánica cuántica describe el instantáneo de un sistema (estado cuántico) con una función de onda que codifica la distribución de probabilidad de todas las propiedades medibles, u observables. Algunos observables posibles sobre un sistema dado son la energía, posición, momento y momento angular. La mecánica cuántica no asigna valores definidos a los observables, sino que hace predicciones sobre sus distribuciones de probabilidad. Las propiedades ondulatorias de la materia son explicadas por la interferencia de las funciones de onda. Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso del tiempo. Esta evolución es determinista si sobre el sistema no se realiza ninguna medida aunque esta evolución es estocástica y se produce mediante colapso de la función de onda cuando se realiza una medida sobre el sistema. Por ejemplo, una partícula moviéndose sin interferencia en el espacio vacío puede ser descrita mediante una función de onda que es un paquete de ondas centrado alrededor de alguna posición media. Según pasa el tiempo, el centro del paquete puede trasladarse, cambiar, de modo que la partícula parece estar localizada más precisamente en otro lugar. La evolución temporal determinista de las funciones de onda es descrita por la Ecuación de Schrödinger.

La Mecánica Cuántica ha alcanzado unas cotas increíbles de consistencia y experimentalmente, es una de las teorías más acreditadas. Sin embargo, mi parecer es que siendo una herramienta muy útil para los Físicos, no es la definitiva, en un futuro próximo tendremos muchas sorpresas de la mano del LHC que en este mismo año nos dará alguna alegría importante para el mundo de la Física.

El otro gran pilar en el que se apoya la Física, se llama Relatividad Especial. Todos sabéis lo que fue para la Física el año 1.905. Esa primera de la teoría relativista de Einstein, nos legó conocimientos muy importantes, tales como que un objeto viajando a velocidades cercanas a la de la luz aumenta su masa o que el hipotético viajero de una nave espacial que viaje a ésas velocidades relativistas, habrá conseguido ralentizar su tiempo. El tiempo pasa más lento cuando la velocidad es grande. Y, el otro logro importante que fue resumido en la ecuación más famosa de la historia de la Física, fue el hecho de que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa.  ¡cuánta belleza y profundidad expresado en tan poco espacio!

En un espacio de cuatro dimensiones, cada uno de los tensores representa una cantidad física que consta de 16 componentes y la cual puede ser representada …

Albert Einstein realizó una verdadera hazaña intelectual y nos legó su teoría General de la Relatividad, una teoría construida la pura geometría, excediéndose en elegancia y efectiva en su espacio de aplicación. La relación entre el cuerpo y la curvatura del espacio-tiempo, es equivalente (Gµv). Significa, la manifestación visible o invisible de la energía [m=e/c2], y en este caso, manifestada en la forma masiva del cuerpo, curva el espació-tiempo.

La Humanidad ha conseguido logros increíbles en el campo de la Física, siempre acompañada de las matemáticas, han llegado a dejar al descubierto cuestiones misteriosas y muy bien escondidas en lo más profundo de la materia y de las fuerzas fundamentales que interaccionan con ella.

nos podemos plantear preguntas que nadie sabe contestar e incluso algunas que no sabemos ni plantear, nos faltan conocimientos para hacer tales preguntas. Sin embargo, en el futuro, las respuestas llegaran.

¿Cómo podría haber preguntado Pitágoras por el significado de m=E/c2 (E=mc2), si Einstein nació más de 2.000 años más tarde?

                     Dualidades teoría de cuerdas y teoría M

“Los análisis bibliométricos del ISI Web of Science parecen indicar que, con 4 artículos de los 10 más candentes en la física de 2009, la teoría de cuerdas está viviendo su tercera revolución gracias a la teoría de M2-branas de Bagger-Lambert. La segunda revolución, la de la dualidad, resaltó la importancia de la teoría M, pero sólo logró que entendiéramos muy bien las D-branas. La tercera revolución parece que tiene por objeto entender bien las M-branas, de las que prácticamente no se sabía nada antes de la teoría de Bagger-Lambert. Curiosa manera tienen los físicos de cuerdas de celebrar las bodas de plata de su primera revolución. Fuente: Simon Mitton, “Is This the Third Revolution for String Theory?,” en “HAT´S HOT IN…PHYSICS, March/Aprin 2.000,” del Thomson/Reuters ISI Science Watch. Los Hot Papers son los artículos que más rápidamente están siendo citados en el ISI Web of Science. Entre los 10 hot papers de Física en 2009, los 4 sobre teoría de cuerdas están en los puestos #4, #6, #9, y #10, y todos describen propiedades de las M2-branas. Hacía 10 años ( la segunda revolución de la teoría de cuerdas) que no ocurría algo así. ¿Estamos viviendo la tercera revolución de la teoría de cuerdas?”

De la misma manera estamos hoy haciendo preguntas o formulando teorías que no pueden ser contestadas o comprobadas. La energía de Planck (10¹⁹ GeV) nos vendría muy bien para poder comprobar la teoría M que ha unificado todas las teorías existentes sobre la teoría de cuerdas. Sin embargo, nuestra civilización actual no tiene la posibilidad de alcanzar dicha energía y habrá que esperar mucho tiempo para que eso sea posible.

No podemos dejar por ello de de trabajar en ese campo de las cuerdas, es prometedor e ilusionante, allí, en las más altas dimensiones, parece que es posible hermanar a la Mecánica Cuántica y a la Relatividad General. Esta teoría nos promete por fin una teoría cuántica de la gravedad.

Esquema de la gravedad cuántica de bucles, una de las líneas de trabajo actualmente en la gravedad cuántica. Existen muchas otras y ello, viene a denotar nuestra ignorancia del tema que, en realidad, no dominamos y no dejamos de teorizar lanzando conjeturas e hipótesis que aún no se han visto cumplidas y, lo más cerca que estamos de esa teoría que consigue el casamiento de la Relatividad General con la Mecánica cuántica, está en la Teoría de cuerdas que, como sabéis, tampoco es verificable.

La “relatividad general” opera en la geometría del “espaciotiempo”; una “teoría cuántica de la gravedad” debería ser, además, una “teoría cuántica” del “espaciotiempo”.

La verdad es que, hay muy pocos lugares en el universo donde la relatividad general no sea importante. Para la vida cotidiana, para enviar sondas por el sistema solar, y para cualquier otra situación en la que es probable que nos hallemos, no necesitamos preocuparnos por la relatividad general. teoría es importante en el ámbito del Universo cuando se habla de grandes masas como estrellas y galaxias, o, planetas…cuerpos con mas de cierta importancia. Para las partículas individuales subatómicas, la fuerzas es despreciable. Sin embargo, en presencia de planetas como Júpiter, el espaciotiempo se curva.

Puede parecer ciencia ficción hablar y exponer hechos y conceptos que no pueden ser demostrados, sin embargo, Einstein esperó largos años con su teoría de la Relatividad General bien asentada en su cabeza, sin poder exponerla al mundo por no tener las matemáticas necesarias para ello, y, cuando su amigo Marcel Grossman, al que había pedido ayuda, le envió algunos documentos los que se encontraba la famosa Conferencia de Riemann, Einstein quedó paralizado ante el Tensor Métrico de Riemann, allí tenía la herramienta que estaba buscando y que le permitía formular de manera precisa los espacios curvados de la relatividad general.

Las grandes masas determinan la geometría del Universo forman espacios curvos que se comportan como calles y laberintos por los que discurren los objetos de materia que deambulan por el espaciotiempo tetradimensional de nuestro universo que, si tiene dimensiones extra, las tiene bien escondidas.

Algún día, alguien surgirá y nos traerá las matemáticas necesarias para que, la teoría M se pueda exponer de manera clara y completa. ¿Serán las funciones modulares de Ramanujan las que nos sacará del atolladero? Todos sabéis que las matemáticas topológicas de la Teoría M, son extremadamente difíciles, pocos tienen acceso a ellas, y, de momento, parece que nadie está en posesión de los conocimientos matemáticos que se precisan.

Tendremos que esperar un poco. Sin embargo, la Ciencia futura está a la vuelta de la esquina:

La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado a la manipulacion de material a la escala menor de un micrometro es decir al nivel de atomos y moeculas (nanometria) lo mas habitual es que tal manipulacion se produsca uno o 1000 nanometros para hacer una idea de como son los nanobotts un nanobot mide 50 nm sus capas son de 5 molecula.

                               Pronto veremos que la nanotecnología nos llevará a un mundo futuro que ahora, ni podemos imaginar

¿Qúe no podremos contruir con las nuevas técnicas de nanotecnología? Inundaremos los planetas lejanos de minúsculos robots que no serán detectados y nos podrán inviar información fidedigna de todo lo que queramos? Por ahí podría ir el futuro, menos coste en los lanzamientos bases lunares o marcianas y, en pequeñas naves podrían ir cientos de robots que se espacirían por todo el pequeño o gran mundo a explorar.

nuestra curiosidad es inagotable, nos empuja a preguntar, trabajar, estudiar, investigar y profundizar en todas estas cuestiones que atrae a todos aquellos que, como yo, enamorados de la Física, saben que, algún día lejano en el futuro, nuestra Civilización alcanzará el nivel requerido para poder abrir esas puertas que tenemos cerradas y de las que no tenemos las llaves para poder abrirlas. Encima de estas puertas, los letreros dicen: Teoría M, Materia Oscura, Densidad Crítica, Universos paralelos, Viajes en el Tiempo, Singularidades, etc.

Me gustaría estar presente cuando pasados algunos siglos, nuestra especie tenga como fuente de energía inagotable la que generan los Agujeros Negros. Esa energía nos dará la posibilidad de viajar a las estrellas y de llegar al fondo de la teoría M.

         Cuerdas vibrantes de cuyas resonancias surgen nuevas partículas.

No debemos olvidar que, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. Así es. Al menos hasta donde sabemos, los planetas, las estrellas y Galaxias y demás objetos estelares (nosotros también), están hechos de infinitesimales objetos: Quarks y Leptones. Todo lo que podemos ver en el Universo está hecho de materia bariónica, existe otra clase de materia que aún no sabemos lo que es, dónde está o se genera y de qué está hecha (esa que nuestra ignorancia denomina Materia Oscura)..

  La materia primordial del Universo fue denominada por los griegos clásicos como Ylem sustancia cósmica

¡Nuestra imaginación! algo que solo ser comparada con la grandiosidad del Universo que… es casi tan grande como ella.

¿Cuánto más podrá salir de la maravilla llamada Mente?

La Mecánica Cuántica.

La Relatividad Especial y la Relatividad General.

El Modelo Estándar.

Las fuerzas Fundamentales.

Las Constantes Universales.

Las familias de partículas: Quarks (u, d, s, c, t, b), Hadrónes (bariones y mesones), los Leptones (electrón, muón, tau y sus respectivos neutrinos).

La Teoría M y la de Supersimetría, Supergravedead, la de cuerdas, la cuerda heterótica.

En su día la teoría de Kaluza-Klein (la primera de más altas dimensiones)

                         Hablamos de Universos holográficos

Y, de esta manera podríamos exponiendo ejemplos enormes de la imaginación que poseemos y que es el don que la humanidad tiene para descubrir los misterios del Universo. Einstein llamaba a esto ejercicios mentales. Está bien que nuestras mentes no tengan límites a la hora de imaginar. Creo que, a excepción de las imposibilidades y barreras impuestas por nuestro físico, todo lo demás, con el tiempo podrá ser posible. Hasta tal punto es así que, hasta podremos (ya lo hemos hecho) hacer que nuestras vidas sean más duraderas.

Alguien dijo que Genio es aquel que es capaz de plasmar en realidad sus pensamientos. Pues, amigos, en la Física han sido muchos los genios que han aportado su imaginación.

La pregunta que hay que responder aquí es lo que se entiende por Física. Por mi parte, Física es todo lo que aquí he dejado escrito y muchísimo más. Creo firmemente que la Física es el arma más poderosa con la que la Humanidad para resolver todos los problemas que tiene planteados a plazo fijo en el futuro lejano.

                          Hasta la vida es Física y Química

¿Habéis pensado alguna vez que el Sol tiene una cantidad de combustible nuclear – hidrógeno – limitado? El día que se acabe, dentro de 4.000 millones de años ¿dónde iremos? La pregunta parece tonta, sin embargo, no lo es. No debemos descansar en el avance del saber científico de la Física y las matemáticas (además de en los otros campos), ya que, en ese no parar estará la solución a todos nuestros problemas presentes y futuros, y, la llave que abrirá la puerta principal, se llama Física (siempre acompañada por la llave maestra de las matemáticas).

Y, mientras tanto, continuará el proceso de humanización que aún está por terminar…¡Nos queda tanto!

emilio silvera

“A partir de sus principios en Sumeria alrededor del 3500 a.C., en Mesopotamia, en los pueblos del norte comenzaron a intentar registrar la observación del mundo con datos cuantitativos y numéricos sumamente cuidados. Pero sus observaciones y medidas aparentemente fueron tomadas con otros propósitos más que la ley científica. Un caso concreto es el del teorema de Pitágoras, que fue registrado, aparentemente en el siglo XVII a. C.: la tabla mesopotámica Plimpton 322 registra un número de trillizos pitagóricos (3,4,5) (5,12,13)…., datado en el 1900 a. C., posiblemente milenios antes de Pitágoras, pero no era una formulación abstracta del teorema de Pitágoras.

Los avances significativos en el Antiguo Egipto son referentes a la astronomía, a las matemáticas y a la medicina. Su geometría era una consecuencia necesaria de la topografía, con el fin de intentar conservar la disposición y la propiedad de las tierras de labranza, que fueron inundadas cada año por el Nilo. La regla del triángulo rectángulo y otras reglas básicas sirvieron para representar estructuras rectilíneas, el pilar principal de la arquitectura dintelada egipcia. Egipto era también el centro de la química y la investigación para la mayor parte del Mediterráneo. “

 

 

Isabel Pérez Arellano y Róbinson Torres Villa, publicaron un artículo en 2009, sobre la física moderna y sus paradigmas y, comenzaban diciendo:

“Desde siempre el hombre ha intentado dar respuesta a los interrogantes más profundos que lo inquietan; preguntas que van desde ¿Quién soy?, ¿de dónde vengo? ¿y hacia dónde voy?, hasta los intentos por explicar el origen y final universo en qué vive. Muchas son las prepuestas que se han dado a esos interrogantes, dependiendo de la corriente de pensamiento seguida por quien aborda esas preguntas; es así como se ven aproximaciones místicas, esotéricas, religiosas y científicas entre otras; pero todas con el objetivo de dilucidar alguna respuesta a esas preguntas fundamentales.

Desde el punto de vista científico y concretamente de la física moderna, se han planteado algunas explicaciones del universo en el que vivimos que algunas veces rozan con lo fantástico, dado el nivel de abstracción o especulación que llevan implícito, todo obviamente avalado por sofisticados modelos matemáticos que al parecer soportan las hipótesis planteadas.”

 

 

 

Si repasamos la historia de la ciencia, seguramente encontraremos muchos motivos para el optimismo. Por mencionar a un científico de nuestro tiempo, escojamos a E. Witten que está convencido de que la ciencia será algún día capaz de sondear hasta las energías de Planck. Como ya he contado en otras ocasiones, él dijo:

“No siempre es tan fácil decir cuáles son las preguntas fáciles y cuáles las difíciles. En el siglo XIX, la pregunta de por qué el agua hierve a 100 grados era desesperadamente inaccesible. Si usted hubiera dicho a un físico del siglo XIX que hacia el siglo XX sería capaz de calcularlo, le habría parecido un cuento de hadas… La teoría cuántica de campos es tan difícil que nadie la creyó completamente durante 25 años.”

 

En su opinión, las buenas ideas siempre se verifican. Los ejemplos son innumerables: la gravedad de Newton, el campo eléctrico de Faraday y el electromagnetismo de Maxwell, la teoría de la relatividad de Einstein en sus dos versiones y su demostración del efecto fotoeléctrico, la teoría del electrón de Paul Dirac, el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, la función de ondas de Schrödinger, o, el Principio de Exclusión de Pauli y tantos otros. Algunos de los físicos teóricos más famosos, sin embargo, protestaban de tanto empeño en la experimentación.

Arthur Eddington es famoso por su trabajo relacionado con la Teoría de la Relatividad. Eddington escribió un artículo en 1919- Report on the relativity theory of gravitation (Informe sobre la teoría relativista de la gravitación), que transmitió la Teoría de la Relatividad de Einstein al mundo anglosajón. Debido a la Primera Guerra Mundial,  los avances científicos alemanes no eran muy conocidos en Gran Bretaña.

Demostró que la energía en el interior de las estrellas era transportada por radiación y convección. Estos trabajos quedaron plasmados en el libro The Internal Constitution of the Stars (1926). Era un gran científico y se hizo amigo de Einstein desde que comprobó que éste llevaba razón en sus predicciones cuando comprobó que la luz se curva en presencia de grandes masas, como consecuencia de un eclipose solar.

Arthur Eddington se cuestionaba incluso si los científicos no estaban forzando las cosas cuando insistían en que todo debería ser verificado. El premio Nobel Paul dirac incluso llegó a decir de forma más categórica: “Es más importante tener belleza en las ecuaciones que tener experimentos que se ajusten a ellas“, o en palabras del físico John Ellis del CERN, “Como decía en una envoltura de caramelos que abrí hace algunos años, «Es sólo el optimista el que consigue algo en este mundo».“

Yo, como todos ustedes, un hombre normal y corriente de la calle, escucho a unos y a otros, después pienso en lo que dicen y en los argumentos y motivaciones que les han llevado a sus respectivos convencimientos, y finalmente, también decido según mis propios criterios y emito mi opinión de cómo es el mundo que, no obligatoriamente, coincidirá con alguna de esas opiniones, y que en algún caso, hasta difieren radicalmente.

Suponiendo que algún físico brillante nos resuelva la teoría de campos de cuerdas y derive las propiedades conocidas de nuestro universo, con un poco de suerte, podría ocurrir en este mismo siglo, lo que no estaría nada mal considerando las dificultades de la empresa. El problema fundamental es que estamos obligando a la teoría de supercuerdas a responder preguntas sobre energías cotidianas, cuando su “ámbito natural” está en la energía de Planck. Esta fabulosa energía fue liberada sólo en el propio instante de la creación, lo que quiere decir que la teoría de supercuerdas tiene su explicación allí, en aquel lugar y tiempo donde se produjeron las mayores energías conocidas en nuestro Universo y que, nosotros, no podemos alcanzar -de momento.

Fuimos capaces de predecir que el Big Bang produjo un “eco” cósmico reverberando en el universo y que podría ser mesurable por los instrumentos adecuados. De hecho, Arno Penzias y Robert Wilson de los Bell Telephone Laboratories ganaron el premio Nobel en 1.978 por detectar este eco del Big Bang, una radiación de microondas que impregna el universo conocido.

         Como una onda, podemos detectar el eco del big bang y otros fenómenos del universo

El que el eco del Big Bang debería estar circulando por el universo miles de millones de años después del suceso fue predicho por primera vez por George Gamow y sus discípulos Ralpher y Robert Herman, pero nadie les tomó en serio. La propia idea de medir el eco de la creación parecía extravagante cuando la propusieron por primera vez poco después de la segunda guerra mundial. Su lógica, sin embargo, era aplastante. Cualquier objeto, cuando se calienta, emite radiación de forma gradual. Ésta es la razón de que el hierro se ponga al rojo vivo cuando se calienta en un horno, y cuanto más se calienta, mayor es la frecuencia de radiación que emite. Una fórmula matemática exacta, la ley de Stefan-Boltzmann, relaciona la frecuencia de la luz (o el color en este caso) con la temperatura. De hecho, así es como los científicos determinan la temperatura de la superficie de una estrella lejana; examinando su color. Esta radiación se denomina radiación de cuerpo negro.

                                         Podemos ver en plena oscuridad

Esta radiación, ¡cómo no!, ha sido aprovechada por los ejércitos, que mediante visores nocturnos pueden operar en la oscuridad. De noche, los objetos relativamente calientes, tales como soldados enemigos o los carros de combate, pueden estar ocultos en la oscuridad, pero continúan emitiendo radiación de cuerpo negro invisible en forma de radiación infrarroja, que puede ser captada por gafas especiales de infrarrojo. Ésta es también la razón de que nuestros automóviles cerrados se calientes en verano, ya que la luz del Sol atraviesa los cristales del coche y calienta el interior. A medida que se calienta, empieza a emitir radiación de cuerpo negro en forma de radiación infrarroja. Sin embargo, esta clase de radiación no atraviesa muy bien el vidrio, y por lo tanto queda atrapada en el interior del automóvil, incrementando espectacularmente la temperatura y, cuando regresamos para proseguir el camino… ¿quién es el guapo que entra?

Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada …

Análogamente, la radiación de cuerpo negro produce el efecto invernadero. Al igual que el vidrio, los altos niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, causados por la combustión sin control de combustibles fósiles, pueden atrapar la radiación de cuerpo negro infrarroja en la Tierra, y de este modo calentar gradualmente el planeta.

Gamow razonó que el Big Bang era inicialmente muy caliente, y que por lo tanto sería un cuerpo negro ideal emisor de radiación. Aunque la tecnología de los años cuarenta era demasiado primitiva para captar esta débil señal de la creación, Gamow pudo calcular la temperatura de dicha radiación y predecir con fiabilidad que un día nuestros instrumentos serían lo suficientemente sensibles como para detectar esta radiación “fósil”.

La lógica que había detrás de su razonamiento era la siguiente: alrededor de 300.000 años después del Big Bang, el universo se enfrió hasta el punto en el que los átomos pudieron empezar a componerse; los electrones, entonces,  pudieron empezar a rodear a los protones y neutrones formando átomos estables, que ya no serían destruidos por la intensa radiación que estaba impregnando todo el universo. Antes de este momento, el universo estaba tan caliente que los átomos eran inmediatamente descompuestos por esa radiación tan potente en el mismo acto de su formación. Esto significa que el universo era opaco, como una niebla espesa absorbente e impenetrable.

Pasados 300.000 años, la radiación no era tan potente; se había enfriado y por lo tanto la luz podía atravesar grades distancias sin ser dispersada. En otras palabras, el universo se hizo repentinamente negro y transparente.

Terminaré esta parte comentando que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario; un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica. La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro. Se extiende sobre todo el rango de longitudes de onda y la disminución de energías sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumentar las temperaturas*.

Hablar, sin más especificaciones, de radiación, es estar refiriéndonos a una energía que viaja en forma de ondas electromagnéticas o fotones por el universo. También nos podríamos estar refiriendo a un chorro de partículas, especialmente partículas Alfa o Beta de una fuente radiactiva o neiutrones de un reactor nuclear.

la estrella TVLM 513-46546. Según las observaciones realizadas con ALMA, esta estrella tiene un campo magnético increíblemente intenso, probablemente generado por erupciones similares a la del Sol. Radiación y magnetismo presentes en todas partes

La radiación actínida es la electromagnética que es capaz de iniciar una reacción química. El término es usado especialmente para la radiación ultravioleta que emiten las estrellas jóvenes y azuladas en las bellas nebulosas.

Muchos son los tipos conpocidos: Radiación blanda, radiación cósmica, radiación de calor, radiación de fondo, de fondo de microondas, radiación dura, electromagnética, radiación gamma, infrarroja, ionizante, monocromática, policromática, de sincrotón, ultravioleta, de la teoría cuántica, de radiactividad… y, como se puede ver, la radiación en sus diversas formas es un “universo” en sí misma.

El físico alemán Max Planck (1.858 – 1.947), responsable entre otros muchos logros de la ley de radiación de Planck, que da la distribución de energía radiada por un cuerpo negro. Introdujo en física el concepto novedoso de que la energía es una cantidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de una emisión continua. Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada es la base de la teoría cuántica.

Einstein se inspiró en este trabajo para a su vez presentar el suyo propio sobre el efecto fotoeléctrico, donde la energía máxima cinética del fotoelñectrón, E_m, está dada por la ecuación que lleva su nombre: E_m = hf – Φ.

Planck publicó en 1.900 un artículo sobre la radiación de cuerpo negro que sentó las bases para la teoría de la mecánica cuántica que más tarde desarrollaron otros, como el mismo Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Feymann, etc. Todos los físicos son conocedores de la enorme contribución que Max Planck hizo en física: la constante de P,lanck,  radiación de Planck, longitud de Planck, unidades de Planck, etc. Es posible que sea el físico de la historia que más veces ha dado su nombre a conceptos de física. Pongamos un par te ejemplos de su ingenio:

1.  Esta escala de longitud ( 10^-35 m ) veinte órdenes de magnitud menor que el tamaño del protón, de 10^-15 m, es a la que la descripción clásica de gravedad cesa de ser válida y debe ser tenida en cuenta la mecánica cuántica. En la fórmula que la describe, G es la constante gravitacional, ħ es la constante de Planck racionalizada y c en la velocidad de la luz.

2.    Es la masa de una partícula cuya longitud de onda Compton es igual a la longitud de Planck. En la ecuación, ħ es la constante de Planck racionalizada, c es la velocidad de la luz y G es la constante gravitacional.

La descripción de una partícula elemental de esta masa, o partículas que interaccionan con energías por partículas equivalentes a ellas (a través de E = mc²), requiere de una teoría cuántica de la gravedad. Como la masa de Planck es del orden de 10^-8 Kg (equivalente a una energía de 10¹⁹ GeV) y, por ejemplo, la masa del protón es del orden de 10^-27 Kg y las mayores energías alcanzables en los aceleradores de partículas actuales son del orden de 14 TeV, los efectos de gravitación cuántica no aparecen en los laboratorios de física de partículas.

Únicamente en un laboratorio aparecieron partículas que tenían energías del orden de la masa de Planck: en el universo primitivo, de acuerdo con la teoría del Big Bang, motivo éste por el que es necesaria una teoría cuántica de la gravedad para estudiar aquellas condiciones. Esta energía de la que estamos hablando, del orden de 10¹⁹ GeV (inalcanzable para nosotros), es la que necesitamos para verificar la teoría de supercuerdas.

Siempre, desde que puedo recordar, me llamó la atención los misterios y secretos encerrados en la naturaleza, y la innegable batalla mantenida a lo largo de la historia por los científicos para descubrirlos.

emilio silvera

Lawrence Berkeley National Laboratory
Berkeley, California