Todos los que nos asomamos por la ventana de la Física, sabemos, más o menos que, después de más de treinta años de historia con la Teoría de dimensiones extra, no es aún, nada fácil encontrar una respuesta sencilla a una sencilla pregunta: ¿Qué es, la Teoría de Cuerdas? Y, lógicamente, muchos científicos del ámbito de la física, están verdaderamente escandalizados con todo este movimiento del que ellos, hablan como de un montaje circense, una comedia en la que, expertos malabaristas de las matemáticas topológicas, hacen trucos de magia para que parezca lo que no es.

Sin embargo, la cosa no parece que sea tan fácil de despachar, cientos y miles de artículos avalan esa Teoría que, en muchos aspectos, parece ser la esperanza futura de la Física y la única que nos puede abrir caminos ahora cerrados que, nos llevarán más lejos, a lugares que ahora, con la física actual, no podemos visitar.

 

 

 

 

Claro que no todo son críticas, en un artículo que leí en alguna parte nos dicen: “La teoría ha sido elogiada por algunos físicos debido a su potencial para forjar el largamente buscado vínculo entre la gravedad y las fuerzas que dominan en el núcleo atómico. Pero la teoría –que propone que todas las partículas subatómicas son en realidad diminutas “cuerdas” que vibran de diferentes formas– también ha arrastrado críticas por ser incomprobable en el laboratorio, y tal vez imposible de conectar con los fenómenos del mundo real.

 

 

Algunos ven la Teoría de cuerdas como un sueño imposible

 

Sin embargo, los investigadores de Princeton han descubierto una nueva prueba matemática de que alguna de las predicciones de la Teoría de Cuerdas se entrelazan estrechamente con un cuerpo de la física muy respetable llamado “Teoría Gauge”, el cual se ha demostrado que subyace en las interacciones entre quarks y gluones, los menudos objetos que se combinan para formar protones, neutrones y otras partículas subatómicas más exóticas. El descubrimiento, dicen los físicos, podría dar lugar a una gran cantidad de usos de la Teoría de Cuerdas atacando problemas de la física práctica.”

 

 

 

 

Es cierto que la Física está dominada por los paradigmas impuestos desde hace cien años por la mecánica cuántica y la relatividad que son dos teorías fundamentales que parten de principios rectores a partir de los cuales las teorías se construyen de una manera casi sistemática. En estos ejemplos es fácil de identificar ese principio rector:

En la Relatividad el principio es la constancia de la velocidad de la luz o, lo que es equivalente, que la velocidad de la luz determina una cota máxima sobre la velocidad de transmisión de información. Una vez aceptado este principio, el resto se da casi por añadidura. La constancia de la velocidad de la luz implica un espacio tiempo con una determinada geometría, la equivalencia entre masa y energía, así como el resto de los resultados de la Dinámica y la Cinemática Relativistas.

 

 

 

Este es el tiempo que tarda la luz en llegar desde la Tierra a la Luna situada a 380.000 Km de nosotros

 

No podemos perder de vista el hecho cierto de que, la razón por la que la Relatividad se convierte en una auténtica Teoría autónoma es precisamente porque eleva la constancia de la velocidad de la luz a principio rector, a postulado. No se trata de explicar o modelar dinámicamente por qué la velocidad de la luz es la velocidad máxima sino que, muy por el contrario, se trata de derivar toda una cinemática, de hecho la propia naturaleza geométrica del espacio y el tiempo, a partir de dicho postulado.

 

 

 

El Universo de la Mecánica Cuántica nos es fantasmagórico e irreal, es un mundo aparte en el que, podemos ver cosas inusuales y sorprendentes, allí no rigen las mismas leyes que podemos constatar a nuestro alrededor en el mundo macroscópico, o, si están presentes, funcionan de otra manera que, alejada de nuestro propio mundo, no hemos llegado a comprender…del todo.

Nos decía el filósofo Karl Popper:

 

“La ciencia será siempre una búsqueda, jamás un descubrimiento real. Es un viaje, nunca una llegada.”

 

El hombre llevaba toda la razón toda vez que, emprendemos la aventura de la Ciencia y tratamos de buscar “cosas” y “comportamientos” que nos digan por qué, la Naturaleza, funciona de esta o de aquella otra manera. Vamos desvelendo escenarios y obteniendo algunas respuestas pero, el viaje no acaba nunca, a cada puerta abierta, nos encontramos con otro nuevo espacio en el que también, existen muchas puertas cerradas cuyas llavez tendremos que encontrar y, siempre será, de esa manera: ¡Un viaje intermivnable! Siempre hay alguna cosa nueva si vamos un poco más allá.

 

 

 

Cada uno de estos cuatro espacios de Hilbert tiene un análisis de Fourier asociado con el.

 

L2([a,b]) → Series de Fourier
ℓ2([0,n−1]) → Transformada Discreta de Fourier
L2(R) → Transformada de Fourier
ℓ2(Z) → Transformada Discreta de Fourier en Tiempo

Pero los cuatros están basados en el mismo principio (Espacio de Hilbert).
Nota Importante: no todos los espacios normalizados son espacios de Hilbert

 

Y por tanto el espacio de Hilbert de esos estados puros se asociará con un punto en esa esfera y un sistema multiqubit será algo como lo expresado en la figura.

 

De forma más formal, el Espacio de Hilbert se define como un espacio de producto interior que es completo  con respecto a la norma vectorial definida por el producto interior. Los espacios de Hilbert sirven para clarificar y para generalizar el concepto de series de Fourier, ciertas transformaciones lineales tales como la transformación de Fourie, y son de importancia crucial en la formulación matemática de la mecánica cuántica.

 

 

 

 

El espacio de Hilbert es una pura construcción matemática pero responde a la perfección a lo que hacía falta para elaborar la teoría cuántica. De no haberse descubierto habría habido que inventarlo para las necesidades de la teoría. El espacio de Hilbert es un espacio vectorial infinitamente grande. En su momento, esto fue una idea revolucionaria, en virtud de que todos los espacios vectoriales, inclusive los espacios matemáticos abstractos, eran finitos. Pero afortunadamente en su trabajo sobre ecuaciones integrales llevado a cabo en 1912 David Hilbert tuvo la visión suficiente para captar la necesidad de tener que postular un espacio vectorial infinitamente grande para poder proyectar todo el aparato matemático de la Mecánica Cuántica sobre una base rigurosamente formal. Y quince años después correspondió a otro matemático igualmente brillante, el matemático húngaro John Neumann, el darle en 1927 una definición axiomática al espacio vectorial de Hilbert en su ya famosa obra Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Pero Hilbert no solo propuso un espacio vectorial infinitamente grande. Propuso también que los componentes de los “vectores” pudiesen ser números imaginarios o números complejos sin estar limitados a ser números reales, redefiniendo a la vez el concepto del producto interno de dos vectores para que dicho producto pudiese seguir siendo un número real con significado físico.

En el caso de la Mecánica Cuántica el principio rector es el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. De nuevo este principio se postula como principio básico y a partir de allí se deduce como tiene que ser el espacio de estados físicos, que se convierte en un espacio de naturaleza completamente nueva como lo es un espacio de Hilbert.

 

 

 

Esto da lugar a fenómenos tan sorprendentes como el entrelazamiento cuántico o la estabilidad atómica.

 

 

 

Sí, el camino ha sido largo. En la serie de artículos Fundamentos de una teoría general de las ecuaciones integrales, Hilbert analizó las técnicas introducidas para estudiar estas ecuaciones por Poincaré y Fredholm a finales del XIX, mejorando sus resultados. En el cuarto artículo de esta serie, publicado en 1906, Hilbert prueba que las ecuaciones integrales pueden resolverse como un sistema de infinitas ecuaciones lineales con infinitas incógnitas.

 

 

 

 

Todos los objetos situados en el mismo campo gravitatorio caen con la misma aceleración si y sólo si la proporción entre masa gravitacional e inercial es igual a una constante. Por eso precisamente decimos que, en Relatividad General, el principio rector  es el principio de equivalencia entre masa inercial y masa gravitatoria.

En la Teoría de Cuerdas la situación es completamente distinta. Se desconoce cual pueda ser el principio rector, si en realidad existe algún principio rector en esta teoría, y es, precisamente este desconocimiento el qure genera en nosotros perplejidad cuando se nos pide una respuesta sencilla a: ¿Qué es la Teoría de Cuerdas?

Recordemos que el nacimiento de la teoría fue, esencialmente modesto. Aquel momento en el que proliferaban los experimentos de resonancias en interacciones fuertes con espines altos resultaba desconcertante, se observó que una manera de hacer consistente la mediación de la interacción con partícuals de espín alto consistía en imponer a las amplitudes de colisión una simetría particular que se denominó dualidad. Desde entonces las cosas han cambiado de manera exponencial y se habla de otra manera y de otras cosas. Veámos que nos dice, por ejemplo, uno de los padres de la teoría de cuerdas:

 

 

 

 

 

 Esos pequeños objetos que forman la materia

Libertad asintótica de los Quarks: Al tratar la naturaleza del confinamiento de quarks, una visualización es la de una bolsa elástica que permite a los quarks moverse libremente por toda ella, siempre y cuando no se trate de tirar más para separarlos. Si se intenta tirar de un cabo del quark, la bolsa se estira y resiste. Así los Quarks se reunen en tripletes para formar hadrones bariones como los protones y neutrones, y, están dentro de ellos confinados por la fuerza nuclear fuerte. Sus movimientos dentro de los hadrones, está limitado por la superficie del interior de ellos y, allí, 8 Bosones que se llaman Gluones, vigilan para que no se puedan separar más de ese límite que tienen marcado. También están dentro de los hadrones mesones en el número de dos.

Pero, retrocedamos en el Tiempo y recordemos cuando… (pulsa para leer el artículo completo (Esos pequeños objetos que forman la materia).

                   Esquema de un interferómetro de Michelson.  Interferómetro de Michelson. El espejo diagonal (centro) divide el rayo luminoso reflejando una mitad y dejando seguir a la otra su trayectoria recta.

Preludio a la relatividad. Las ecuaciones de Lorentz-Fitzgerald

En 1.893 el físico irlandés George Francis Fitzgerald emitió una hipótesis para explicar los resultados negativos del experimento conocido de Michelson-Morley. Adujo que toda la materia se contrae en la dirección del movimiento, y que esa contracción es directamente proporcional al ritmo (velocidad) del movimiento.

Según tal interpretación, el interferómetro se quedaba corto en la dirección del “verdadero” movimiento terrestre, y lo hacía precisamente en una cantidad que compensaba con toda exactitud la diferencia de distancias que debería recorrer el rayo luminoso. Por añadidura, todos los aparatos medidores imaginables, incluyendo los órganos sensoriales humanos, experimentarían ese mismo fenómeno.

Parecía como si la explicación de Fitzgerald insinuara que la naturaleza conspiraba con objeto de impedir que el hombre midiera el movimiento absoluto, para lo cual introducía un efecto que anulaba cualquier diferencia aprovechable para detectar dicho movimiento. Pero veámos lo…

Lo incomprensinble es que comprendamos la Naturaleza. Razonó Einstein.

 

 

 

El Principio de Exclusión de Pauli es un principio cuántico enunciado por Wolfgang Ernst Pauli en 1.925.  Establece que no puede haber dos Fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (esto es, en el mismo estado cuántico de partícula individual) en el mismo sistema cuántico ligado.¹ Formulado inicialmente como principio, posteriormente se comprobó que era derivable de supuestos más generales: de hecho, es una consecuencia delteorema de la estadística del spín.

Debido al Principio de exclusión de Pauli, es imposible que dos fermiones  ocupen el mismo cuántico (al contrario de lo que ocurre con los Bosones). La condensación Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10^-7 K) se puede formar un condensado de Bose-Einstein,  en el que varios miles de átomos dorman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio.

                                                          Condensado de Bose-Einstein

Como ha habréis podido suponer, la condensación Bose-Einstein es llamada así en honor al físico Satyendra Nath Bose (1.894 – 1.974) y a Albert Einstein. Así que, eñ Principio de esclusión de Pauli  tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los Fermiones pero no a los Bosones.

Las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de ésta teoría en vez de las de la mecánica clásica.  En estadística cuantica, los estados de energía se considera que están cuantizados.  La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier de partículas puede ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas (como dije antes) son los bosones que, tienden a juntarse.

         Los bosones tienen un momento angular n h/2p, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck.  bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica.  Si solo una partícula puede ocupar un cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n+½) h/2p y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La mejor teoría para explicar el mundo subatómico nació en 1928 cuando el teórico Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado fue la mecánica cuántica relativista, que se transformó en un ingrediente primario en la teoría cuántica de campos. Con unas pocas suposiciones y unos ajustes ad-hoc, la teoría cuántica de campos ha probado ser suficientemente poderosa para formar la base del modelo estándar de las partículas y las fuerzas.

El campo magnético de las estrellas de neutrones

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender cómo   un campo magnético la partícula cargada que gira, pero ya no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado. Lo cierto es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo delneutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalente a cero, aunque por alguna razón desconocida, logran crear un campo magnético cuando gira la partícula.

Particularmente creo que, si el neutrón tiene masa, si la masa es energía (E = mc²), y si la energía es electricidad y magnetismo (según Maxwell), el magnetismo del neutrón no es tan extraño, sino que es un aspecto de lo que en realidad es materia. La materia es la luz, la energía, el magnetismo, en  definitiva, la fuerza que reina en el universo y que está presente de una u otra forma en todas partes (aunque no podamos verla).

Sea fuere, la rotación del neutrón nos da la respuesta a esas preguntas:

¿Qué es el antineutrón? Pues, simplemente, un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido; su polo sur magnético, por decirlo así, está arriba y no abajo. En realidad, el protón y el antiprotón, el electrón y el positrón, muestran exactamente el mismo fenómeno de los polos invertidos.

Es indudable que las antipartículas pueden combinarse formar la antimateria, de la misma que las partículas corrientes forman la materia ordinaria.

La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965, donde fue bombardeado un blanco de berilio con 7 protones BeV y se produjeron combinaciones de antiprotones y antineutrones, o sea, un antideuterón. entonces se ha producido el antihelio 3, y no cabe duda de que se podría crear otros antinúcleos más complicados aún si se abordara el problema con más interés.

Pero, ¿existe en realidad la antimateria? ¿Hay masas de antimateria en el universo? Si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serían idénticos a los de la materia corriente. Sin embargo, cuando se encontrasen las masas de las distintas materias, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas del aniquilamiento mutuo resultante del encuentro. Así pues, los astrónomos observan especulativamente las galaxias, tratar de encontrar alguna actividad inusual que delate interacciones materia-antimateria.

La verdad es que, el momento, el éxito ha sido nulo y la antimateria, si existió alguna vez, quedó destruída en esos primeros momentos del Big Bang y, desapareció debido a que, la materia bariónica era algo mayor que la antimateria, es decir, había más protones que antiprotones.

Los físicos hablan de antipartícula y se están refiriendo a una partícula subatómica que tiene la misma masa que otra partícula y valores iguales pero opuestos de otra propiedad o propiedades. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón, que tiene una carga positiva igual en módulo a la carga negativa del electrón. El antiprotón tiene una carga negativa igual al módulo de la carga positiva del protón. El neutrón y el antineutrón tienen momentos magnéticos con signos opuestos en relación con sus espines. La existencia de antipartículas es predicha por la mecánica cuántica relativista.

Cuando una partícula y su antipartícula colisionan ocurre la aniquilación. La antimateria consiste en materia hecha de antipartículas. Por ejemplo, el antihidrógeno consiste en un antiprotón con un positrón orbitando. El antihidrógeno ha sido creado artificialmente en laboratorio. El espectro del antihidrógeno debería ser idéntico al del hidrógeno y, precisamente por eso, es tan difícil para los astrónomos localizar antimateria (si es que la hay).

Parece que el Universo está formado mayoritariamente de materia (ordinaria) y la explicación de la ausencia de grandes cantidades de antimateria debe ser incorporada en  modelos cosmológicos que requieren el uso de teorías de gran unificación de las partículas elementales.

Y, a todo esto, no debemos olvidarnos de la otra materia, esa que llamamos oscura y que, en realidad, deja al descubierto nuestra inmensa ignorancia, ya que, todo el Universo está empapado de ella, y, sin embargo, aún no hemos sido capaces de discernir lo que dicha materia oscura pueda ser, como se formó, o de qué está hecha y cómo se generó en el Universo, en verdad es un gran misterio qur todos los Astrónomos del mundo persiguen incansables.

Ahora se habla de otras dimensiones, y, nuestro cerebro está conformado en tres espaciales y una temporal ( la relatividad especial) y, desde luego, nos cuesta “ver” dimensiones más altas y no podemops crear en nuestras mentes imágenes que nos lleven a 5, 10, 11 o cualquier de dimensiones que están fuera de nuestro alcance mental pero, las matemáticas nos dicen que podrían muy bien existir y, para ello, han ideado una hermosa Teoría del Todo que llaman de supercuerdas o Teoría M.

Por mucho que esforzamos nuestra imaginación, visualizar esas dimensiones extra… ¡No será nada fácil! Nuestro muntro es tridimensional más el Tiempo que, desde Einstein, es la cuarta dimensión, Sin embargo, aunque con la numerología se trabaja con más dimensiones, y, los físicos de cuerdas logran que la Cuántica y la Relatividad (lo pequeño y lño grande) se junten sin alborotos, en la realidad cotidiana, donde las matemáticas quedan fuera, esas dimensiones más altas… ¡No se ven por ninguna parte!

Según los físicos, si es verdad que dichas dimensiones están ahí, ¿no podría esa materia y energía oscura estar alojada en alguna de ellas? Tengo un registrado en la Sociedad de Autores científicos que, precisamente se refiere a eso, a que la materia oscura pueda estar fuera de nuestra visión y que no la podamos detectar precisamente por no tenerla a la vista, y, mediante fluctuaciones del vacío, esa cantidad ingente de materia oscura deja pasar a los gravitones, los bosones intermediarios de la fuerza de Gravedad, que llegan a nuestro propio espacio, a nuestras dimensiones, y, se deja sentir haciendo que las galaxias se alejen las unas de las otras a mayor velociodad de lo que lo harían si la única materia presente fuese la Bariónica.

En fin, amigos, es tanto lo que no sabemos que, mejor será la búsqueda de éste y de otros misterios que, como el de la masa de las partículas, aún se nos escapa y tenemos que construir maravillas como el LHC para tratar de que responda a nuestras preguntas.

        Una máquina gigantesca que quiere viajar hasta las cuerdas vibrantes

Pero, una cosa es cierta, nuestra osadía que nos lleva a comentar sobre cosas que no llegamos a comprender y, como por ejemplo, los taquiones, son simplemente objetos creados en nuestra inagotable imaginación. Los taquiones, si lo recordais, son partículas hipotéticas que viajan a mayor velocidad que la de la luz y, según la teoría electromagnética, una partícula cargada que viaja a través de un medio con velocidad mayor que la de la luz en ese medio emite radiación Cerenkov y, un taquión cargado emitirá radiación Cerenkov incluso en el vacío.

Claro que, por el momento no se han detectado partículas con esas caracterísiticas y, si llegan a hacer acto de presencia, ¿qué hacemos con la relatividad especial de Einstein que nos dice que nada en nuestro Universo podrá ir a más velocidad que la luz?

¡Es un serio problema! Mejor que el dichoso Taquión no aparezca.

Por otra parte, nunca podremos dejar de sorprendernos cuando nos sumergimos en el “universo” de la mecánica cuántica y en el mundo subatómico de las partículas. El 18 abril 2012, investigadores del Instituto Kavli de TU Delft y de la Fundación FOM han logrado una primera detección de partículas Majorana. Etore Majorana fue un brillante físico italiano que llevó a cabo sus investigaciones en los años treinta del siglo pasado, ahondando en la teoría cuántica y como una partícula especial que podría existir, una partícula que sería en sí misma su propia antipartícula: el fermion de Majorana. Eso sitúa a partícula en la frontera entre materia y antimateria.

¿Será cierto aquello de que, todo lo que podamos imaginar se puede convertir en realidad… ¡con el paso del tiempo!

emilio silvera