En no pocas ocasiones uno se ha parado a pensar en cómo pudo surgir el Universo a partir de la “nada”. Si surgió es porque había. Y, desde luego, todo está directamente relacionado con eso que se conoce por fluctuaciones, esas desviaciones aleatorias en el valor de las cosas sobre su valor medio. No hay que perder de vista los sistemas descritos por la mecánica cuántica, en ellos están bien definidas esas fluctuaciones que, en esa infinitesimal región se llaman “fluctuaciones cuánticas” y, tienen mucho que ver con el Principio de Inmcertidumbre de Heisenberg.

En Cualquier sistema por encima del cero absoluto se pueden presentar dichas fluctuaciones. Es neceario que tengamos en cuenta dichas fluctuaciones para poder obtener una teoría cuantitativa de de las “transiciones de fase” en tres dimensiones. Incluso se puede llegar a pensar que las “fluctuaciones cuánticas” pudieron ser las responsables de la formación de las estructuras en el universo primitivo que pudo surgir de una “Fluctuación del Vacío” que rasgando el espacio tiempo en otro lugar, produjo la opción de crear nuestro universo, o, incluso, múltiples universos conectados al principio y separados más tarde para hacerse unidades independientes de universos.

Lo que vemos arriba marcado dentro de un círculo es lo que se conoce comoel Gran Vacío de Boötes, uno de los mayores “vacíos conocidos de nuestro Universo.  El  Tiene unos 250 millones de años luz de diámetro (casi el 0.27% del diámetro del universo visible), o unos 236,000 Mpc3 en el volumen. Se considera un supervación y sólo tiene dentro de él a unas sesenta galaxias. Fue descubierto por Robert Kirshner (1981), como parte de un estudio de corrimientos al rojo galácticos. El centro del Vacío Boötes esta a aproximadamente 700 millones de años luz de la Tierra.

En astronomía, el vacío está referido a regiones del espacio con menor contenido de Galaxias que el promedio o ninguna galaxia.  También le solemos llamar vacío cósmico. Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del Universo en escalas de hasta 200 millones de años-luz en exploraciones a gran escala.

Sabemos que la “Nada” no existe y que, a partir de las “Fluctuaciones de vacio” nace la materia

¡Las fluctuaciones de vacío! que, al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula. 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 momentáneamente 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.

NI con los ojos abiertos como p`latos hemos podido “ver” lo que “hay” en esas “regiones vecinas” a nuestro mundo y que llamamos vacío en el que se producen fluctiuaciones que hace surgir “cosas” que, de inmediato, desaparecen.  Insistimos en querer verlas para saber y no dejamos de preguntarnos… ¿Qué es lo que hay allí? ¿Vivirá en esa región la tan buscada partícula de Higgs, la materia oscura o las cuerdas? ¿Qué es lo que allí puede haber? En realidad 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 un 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 los 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 a la estrella.

De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito.  Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles. Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto).

Claro que, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”. Si la energía es masa y si la masa produce gravedad, entonces ¿Qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

“Así, como entramos en una nueva era para comprender el tiempo, también hemos entrado a una nueva era de comprender el espacio.  Se ha descubierto que lo que llamamos espacio vacío, el vacío, en realidad está repleto de inmensa energía potencial.  La conclusión ordinaria de considerar el espacio como la nada, el lugar donde se sitúa la materia, evidentemente se ha convertido en nuestro espacio.  Pero el vacío tiene más energía que la materia que está en ese vacío y de hecho, la materia y el vacío son una misma cosa, hay una continuidad.  Se ha descubierto que hay más energía en un centímetro cúbico de vacío que en todo el Universo manifiesto.”

Lo cierto es que estamos en un momento crucial de la Física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la posible  “materia oscura” o a una “teoría cuántica de la gravedad” que, también está implícita en la teoría M.

Claro que esto estuvo bien pero… Habrá que buscar cosas nuevas que nos lleven más allá

Estamos anclados, necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas “virtuales” que atan nuestras mentes a ideas del pasado que, como la relatividad y la mecánica cuántica llevan cien años predominando sobre la física. ¿No es tiempo ya de andar otros caminos que nos lleven más lejos, que nos enseñen otros horizontes? ¿Dónde están las ideas? ¿Dónde nuestra imaginación?

Como nos dicen en este anuncio del Kybalion, nada es estático en el Universo y, todo está en continuo movimiento o vibración. Habreis oido hablar de la energía de punto cero que permanerce en una sustancia en el cero absoluto (cero K). Está de acuerdo con la teoría cuántica, según la cual, una partícula oscilando con un movimiento armónico simple no tiene estado estacionario de energía cinética nula. Es más, el Principio de Incertidumbre no permite que esta partícula esté en reposo en el punto central exacto de sus oscilaciones. Del vacío surgen sin cesar partículas virtuales que desaparecen en fracciones de segundo, y, ya conoceis, por ejemplo, el Efecto Casimir en el que dos placas pueden producir energía negativa surgidas del vacío.

Efecto Casimir

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío; esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven.

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas. En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor infinita. En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10^-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10^-2 – 10^-7 pascales. Por debajo de 10^-7 pascales se conoce como un vacío ultraalto. Tenemos que llegar a la conclusión de que el “vacio” y la “nada” no existen realmente. ¡Siempre hay!

“La raíz etimológica de «nada»: res nata, es contradictoria del significado actual, pues significa cosa nacida. Quizás este -para muchos- insospechado y contundente hecho justifique las tal vez permanentes e irreconciliables concepciones antagónicas, y la reificación no incurra ya en falacia.

En contraste, en la filosofía griega la idea de la nada surgió con los problemas de la negación del ser, de la conservación del ser y de la imposibilidad de afirmar la nada. En particular, Parménides creyó que del «no ser» (la nada) no se puede hablar. Epicuro y Lucrecio aseveraron que la materia no se puede crear de la nada, ni destruir a nada”. Hasta los antiguos sospechaban esa verdad.

Fuí a una charla de Álvaro Rújula del CERN y, entre otras cosas decía:

“Saquemos los muebles de la habitación, apaguemos las luces y vayámonos. Sellemos el recinto, enfriemos las paredes al cero absoluto y extraigamos hasta la última molécula de aire, de modo que dentro no quede nada. ¿Nada? No, estrictamente hablando lo que hemos preparado es un volumen lleno de vacío. Y digo lleno con propiedad. Quizás el segundo más sorprendente descubrimiento de la física es que el vacío, aparentemente, no es la nada, sino una substancia. Aunque no como las otras…”

El hombre lleva toda la razón y es cierto que en física, la “nada” no existe y es simplemente una abstrtacción, un concepto, una manera de hablar para entendernos en ciertós aspectos de la conversación. Como antes he dicho por ahí arriba, existe ese algo que surge del “espacio vacío” y que conocemos como partículas virtuales, las que constantemente se crean y se destruyen y aunque no son observables de manera directa, los efectos que dichas partículas generan si que lo son. En ese sentido la física curiosamente se alinea con la etimología de la palabra nada. Todo esto, ese fenómeno que no hemos llegado a comprender nos lleva a sospechar que, ahí reside un a “identidad secreta” que nos pone delante de “la nada y el nacer”, es decir, nos pone delante del plano que nos dice que… !la nada puede ser el nacimiento! Lo que hace posible el propio proceso de nacer, o, dicho de otra manera, la “nada” podría ser la perenne potencia de ser.

Gráfico del Principio de Indeterminación de Heisenberg.

Así, podemos llegar a la conclusión de que debido a la extraña mecánica cuántica, “la nada” se puede transformar en “algo” de manera constante. El Principio de Incertidumbre de Heisenberg señala que un sistema nunca puede tener exactamente cero energía y como la energía es masa -la relatividad especial nos demostró que son dos caras de una misma moneda-, podríamos llegar a entender el por qué, pares de partículas se pueden formar espontáneamente siempre y cuando se amiquilen rápidamente para restablecer el equilibrio.

En mecánica cuántica, la Incertidumbre nos dice que hay una compensación entre energía y tiempo: Cuanta menor energía tiene un sistema, más tiempo podrá mantenerse. Lo mismo les pasa a las estrellas supermasivas que duran mucho menos que estrellas más pequeñas que consumen menos materia de fusión nuclear. Si pensamos en todo eso, incluso podríamos llegar a la conclusión final de que, el Universo, que tiene 13.700 millones de años, ha tenido el tiempo necesario para poder formar, a partir del “vacio cuántico” estrellas y galaxias llenas de mundos y de formas de vida complejas, gracias a que, su energía en conjunto, debe ser -teniendo en cuenta su extensión- demasiado baja, o, lo necesarimente baja para que eso sea posible.

Claro que, a pesar de todo lo que más arriba he dicho, debemos llegar a la conclusión de que “no sabemos”, y, el hecho cierto de que, hayamos sido capaces de desvelar “algunos” secretos de la Naturaleza, no debe ser suficiente para que se nos suban esos “pequeños” triunfos a la cabeza. Newton nos descubrió que la luz del Sol o luz blanca, era el producto de la mezcla de todos los componentes coloreados, hizo pasar un rayo de luz por un prisma y, la habitación donde hacía el experimento, sus paredes, se llenaron de luciérnagas luminosas de muchos colores, el arco iris estaba allí, del rojo al violeta, descompuestos en mariposas luminosas.

Planck nos habló del cuanto de energía, h. Einstein nos dijo que la energía y la masa eran la misma cosa y que la luz marcaba el límite al que podemos enviar la información en nuestro universo. Otros descubrieron de qué estaba formada la materia y cómo se transmitían las fuerzas fundamentales del nuestro Universo. Pudimos descubrir la existencia de unas constantes universales que hacían posible un Universo como el que nos acoge. Muchos otros secretos fueron desvelados y “arrancados” de la “gruta de los tesoros” que la Naturaleza esconde.

Todo eso es cierto, y, nuestro cerebro, una obra de la Naturaleza que lo hizo surgir a partir de la materia “inerte”, ha podido evolucionar para desvelar todos esos secretos y, sin embargo, no debemos confundir -para nuestro propio bien-, que unos pocos conocimientos son los conocimientos. Como decía el sabío:

“cuanto más profundizo en el saber de las cosas, más consciente soy de lo poco que sé. Mis conocimientos son finitos pero, mi ignorancia, es infinita“.

“La ciencia no es otra cosa que la empresa de descubrir la unidad en la variedad  desaforada de la naturaleza, o más exactamente, en la variedad de nuestra experiencia que está limitada por nuestra ignorancia.”

Yo creo que la Ciencia es un proceso de ir descubriendo a cada paso un orden nuevo que nos lleve a unir lo que parecía desunido. Todo en el Universo tiene una relación y, lo que pasa “aquí”, de alguna manera, influye en lo que pasará “allí”. Todo parece estar conectado por hilos invisibles de la Gravedad y el electromagnetismo que tienen alcance infinito y están presentes en todas partes, también en nosotros influyen esas y las otras fuerzas fundamentales del Universo para que seámos como somos y no de otra manera.

emilio silvera

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Hoy, por entender que tiene un cierto valor en su contenido, expongo aquí algo encontrado en el inmenso universo de Internet, y, que estando referido al resumen de la Obra de Oscar Roberto Ernst, Teoria del Tiempo y el espacio, la paso aquí tal cual la encontré, esperando que, a los visitantes de esta página les guste y saquen sus propias conclusiones, yo he sacado las mías que, en verdad, son de bastante interés.

SOLUCIÓN REVOLUCIONARIA DE LA CONSTITUCIÓN BÁSICA DE LA MATERIA PARA EL SIGLO XXI. CONSTRUCCIÓN LÓGICA Y FUNDAMENTADA DE LA FÍSICA TEÓRICA, ECHANDO POR TIERRA CONCEPTOS DE FINALES DEL SIGLO XX (LAS PARTÍCULAS, LOS CAMPOS Y EL BIG BANG). DEFINIENDO EL CONCEPTO DE “UNIFICACIÓN DE LAS FUERZAS”.

El universo está comprendido por cuatro dimensiones; la cuarta, es perpendicular a la tridimensión, su magnitud es la energía; a los valores positivos llamamos masa (futuro), negativos gravedad (pasado). Se mueve a la velocidad de la luz, en la dirección futuro. Todo se mueve a la velocidad de la luz (no existe otra velocidad). Ni más rápido ni más lento. Esta dimensión tiene capas con valores determinados, cada capa tiene su tridimensión.

Las fuerzas, no existen, son el resultado del cambio de la dirección de la tridimensión en la cuarta dimensión, todas las fuerzas sin excepción. El valor de energía, es la magnitud de las partículas, masa. De lo cual surge la antienergía, gravedad (ley de opuestos y equivalencia). Torciendo la tridimensión, cambiando la dirección en la cuarta dimensión.

El engaño del tiempo es cotidiano, toda la información, está siempre en el pasado. Otro valor del tiempo. El espacio es vacío o materia. La materia es compresión o rarificación (descompresión) del espacio; llámese partículas, fotones, magnetismo, masa, gravedad, etc. A esto le llamo distorsión del espacio. El sistema binario es la base del universo. El big bang es un error, el universo se curva al pasado, por la sumatoria de las gravedades, llegando al universo negro; como un agujero negro, dando esa sensación de dispersión (ley de Hubble).

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e.1) Las fuerzas

Cuando hay una variación en el ángulo de la dirección en el espacio tiempo, entre dos partículas o cuerpos, llamamos aceleración. Cuando el ángulo es constante, llamamos inercia. Cuando no hay ángulo (paralelo), no hay movimiento relativo. Cuando está entre direcciones opuestas, “valle” o “cima”, potencial. La dirección del espacio tiempo, es la perpendicular al “plano de referencia” o espacio tridimensional (ya hablamos). La fuerza tiene dos componentes; la masa y la dirección en el espacio tiempo; si uno de los dos, no existe, la fuerza no existe. La dirección de la tridimensión en el espacio tiempo es lo que se llama “campo”.

La fuerza y la energía, están íntimamente relacionadas, y tienen que ver con el cambio de dirección del espacio tridimensional, a la velocidad de la luz; siempre será a la velocidad de la luz. La diferencia estará dada por el observador, en las partículas parecen estar en reposo, es porque el observador se mueve a la misma velocidad. En la masa, la gravedad y las cargas; parecen estáticas (teoría de la relatividad). En las ondas electromagnéticas (fotones), vemos la velocidad de la luz. En el caso de las partículas y/o cuerpos, es la dirección (ángulo), movimiento relativo entre masas, aunque estas se están moviendo a la velocidad de la luz.

Aún las ondas electromagnéticas, podemos traducirlas a movimiento (energía cinética en sí misma y a lo que afecte). Es decir poseen energía (masa), como cualquier partícula. La luz es tan materia como cualquier partícula.

Cuando pensamos en la materia de esta manera, resulta sencillo entender, como la luz es desviada (gravedad). Aún cuando la luz sigue una recta, como el espacio se ha torcido (plano de referencia), decimos que forma una curva; y tendrá que recorrer mayor distancia (ya vimos).

Las “fuerzas” son todas, consecuencia de una sola expresión: Distorsiones del espacio, con manifestación en alguna de las cuatro dimensiones, provocando el cambio en la dirección de la tridimensión en el espacio tiempo. La pregunta es: ¿Cuál es la diferencia entre campo magnético, gravedad, carga, etc.? ¿Son la misma cosa? Distorsión del espacio (en distintas dimensiones).

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Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron.  Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”.  Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa.  Una vez potente y segura nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la matería?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia.  Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron del “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas.  Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrinseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en laque los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

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¡La Mecánica Cuántica! ¡Qué dolor de cabeza! No, no es fácil sumergirse en ese “universo” de los microscópico y llegar a entender del todo. ¡Son tantos los enigmas que están presente! Más de una vez he llegado a pensar sobre el hecho de que, aunque todo esté en el mismo Universo (lo micro y lo macroscópico), algunas veces nos puede dar la sensación de que son, “dos mundos diferentes” tal es la complejidad que encontramos cuando nos queremos acercar a esas distancias subatómicas donde viven e interaccionan las partículas elementales. Ese mundo, es totalmente ajeno a lo que podemos ver en nuestras vidas cotididianas, y, sin embargo, forma parte de este mundo nuestro. De hecho, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

               Imágenes fractales y la belleza matemática que las describen

Algunos buenos físicos, desde siempre, han hablado de la belleza implícita en las matemáticas y, generalmente, se refieren a que con una gran economía de números nos pueden hablar de muchas cosas y además profundas. Como ejemplo de lo que digo, podríamos recordar la fórmula de Einstein de la Relatividad especial que a todos nos es familiar E = mc² y, la que nos describe la más compleja Relatividad general que no llena ni una línea de este comentario y que, sin embargo, nos habla de uno de los pensamientos más profundos que el ser humano haya podido tener. De hecho, a partir de esa ecuación de campo de la R.G., comenzó realmente la historia de lo que hoy conocemos como cosmología, tantos son sus mensajes sobre el Universo.

En la teoría de la Supersimetría, las matemáticas son realmente bellas y lo mismo podríamos decir de la teoría de Yang-Mills. La primera nos habla de una simetría que puede ser aplicada a las partículas elementales con el fin de transformar un Bosón en un fermión y viceversa. En las teorías supersimétricas más simples, cada Bosón tiene un compañero fermiónico y cada fermión tiene un compañero bosónico. Los compañeros bosónicos de los fermiones tienen nombres formados añadiendo “s” al principio del nombre del fermión, por ejemplo, selectrón, squark y sleptón.

                                                                                                                          ¿Supersimetría?

Los compañeros fermiónicos de los Bosones tienen nombres formados reemplazando el “on” del final del nombre del Bosón por “ino” o añadiendo “-ino”, por ejemplo gluino, fotino, wino, y zino.

Los infinitos que causan problemas en las teorías cuánticas de campo relativistas (obligando a la renormalización) son menos severos en las teorías supersimétricas, porque las contribuciones a los infinitos de los Bosones y los fermiones se pueden cancelar unos a otros.

Si la supersimetría es realmente una simetría de la Naturaleza, debe ser una simetría rota, aunque por el momento no hay evidencias concluyentes que muestren a qué energía debe romperse. No hay, de hecho, ninguna evidencia experimental para la teoría, aunque se piensa que puede ser un ingrediente especial en una teoría unificada de las interacciones. Esta no debe ser necesariamente una teoría de campo unificado; la idea de cuerdas con supersimetría es hasta el momento la mejor teoría para unificar a las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza y, en ella, los objetos básicos son unidimensionales (supercuerdas) que tienen una escala de longitud de unos 10 exp. 35 metros y, como distancias muy cortas están asociadas a energías muy altas, tiene una escala de energía del orden de 10 exp. 19 GeV, que está muy por encima de cualquier acelerador que, por ahora, pudiera construirse.

      Experimentos insuficientes para llegar a las cuerdas

Las cuerdas asociadas con los Bosones sólo son consistentes como teorías cuánticas en un espacio-tiempo de 26 dimensiones; aquellas asociadas a los fermiones sólo lo son en un espacio tiempo de 10 dimensiones. Se piensa que las dimensiones microscópicas surgen por el mecanismo de Kaluza-Klein, estando las restantes dimensiones “enrolladas” para ser muy pequeñas. Una de las características más atractivas de la teoría de supercuerdas es que dan lugar a partículas de espín 2, que son identificadas con los gravitones. Por tanto, una teoría de supercuerdas automáticamente contiene una teoría cuántica de la gravedad.

Una propiedad general de modelos con dimensiones extra que los hace especialmente atractivos es la localidad en la dimensión extra. Campos cuatridimensionales (los modos de KK) pueden estar localizados en puntos diferentes de la dimensión extra, lo que automáticamente suprime, en ocasiones exponencialmente, los acoplamientos entre ellos. Esto nos permite por ejemplo explicar de forma sencilla la gran diferencia de masas entre unos fermiones y otros o sus patrones de mezcla. La localidd en la dimensión extra, combinada con la fuerte curvatura en el modelo de RS produce un patrón de nueva física extremadamente interesante. En estos modelos, los primeros modos de KK -los más accesibles experimentalmente- están localizados cerca de la brana infrarroja, en la que también se produce la rotura de simetría electro débil y por tanto la masa de los fermiones. Los fermiones ligeros, cuyas propiedades han sido estudiadas experimentalmente con gran detalle sin observar ninguna anomalía, son ligeros porque están localizados lejos de la brana infrarroja y acomplan por tanto débilmente a los primeros modos de KK. Esto explica que sus propiedades no se vean modificadas apreciablemente por las dimensiones extra. El quark top, por contra, es mucho más pesado porque está localizado cerca de la brana infrarroja y por tanto su acomplamiento a los modos de KK es mucho myor. Como resultado, una predicción de estos modelos es que las propiedades del quark top -que aún no han sido medidas con precisión pero que serán objeto de profundo estudio en el LHC- serán modificadas por las dimensiones extra y que los modos de KK asociados a dichas dimensiones se mostrarán fundamentalmente en forma de producción anómala de quarks top.

Todas estas propiedades hacen los modelos con dimensiones extra alabeadas muy atractivos, pero cobran una relevancia aún mayor cuando nos damos cuenta de que la famosa conjetura de Maldacena, aplicada a modelos con dimensiones extra alabeadas implica que estos modelos son duales a teorías cuatri-dimensionales fuertemente acopladas. Esto quiere decir que, incluso si las dimensiones extra no existiesen realmente, modelos tipo RS o sus generalizaciones aún pueden serútiles. En efecto, debido a la dualidad nos permiten hacer cálculos cuantitativos que aplican a toerías cuatri-dimensionales en las que, debido al acoplamiento fuerte, no resulta sencillo calcular de otra forma. Usando esta dualidad se han hecho estudios relevantes tanto para cromodinámica cuántica como para teorías de rotura de la simetría electrodébil mediante acoplamiento fuerte, como para modelos de tecnicolor o de Higgs compuesto, por ejemplo.

Es fácil intuir que, si estos modelos están relacionados con modelos fuertemente acoplados, sus restricciones experimentales serán bastante estrictas. Efectivamente, un estudio cuidadoso muestra que, aun usando ciertas simetrías que protegen los observables más sensibles, los modos de KK de los bosones de gauge (las partículas que median las interacciones) tienen que tener una masa del orden de 3500 GeV o mayor, haciéndolos más dificilmente observables en el LHC de lo que originalmente se pensó. Los modos de KK de los fermiones,  por otro lado, pueden ser mucho más ligeros y fácilmente observables en el LHC.

Se piensa que las supercuerdas están libres de infinitos que no pueden ser eliminados por renormalización, que plagan todos los intentos de construir una teoría cuántica de campos que incorpore la gravedad. Hay algunas evidencias de que la teoría de supercuerdas está libre de infinitos, pero no hay una prueba definitiva. Aunque no existan evidencias directas de las supercuerdas, algunas de sus características son compatibles con los hechos experimentales observados en las partículas elementales, como la probabilidad de que las partículas no respeten paridad, lo que en efecto ocurre en las interacciones débiles.

Cuando hablamos de supergravedad lo hacemos de otra teoría aspirante a unificar todas las interacciones fundamentales conocidas que incorpora la supersimetría. La supergravedad se formula de forma más natural como una teoría de Kaluza-Klein en once dimensiones.

La teoría contiene partículas de espín 2, espín 3/2, espín 1, espín ½ y espín 0. Esta teoría, parece que contiene infinitos que no pueden ser renormalizados, es decir, no pueden ser eliminados. Muchos físicos piensan que para obtener una teoría cuántica de la gravitación consistente uno tiene que abandonar las teorías cuánticas de campos, pues se ocupan de objetos puntuales, y pasar a teorías cuyos objetos fundamentales sean extensos, como las supercuerdas y las supermembranas y, en consecuencia, la supergravedad no sería una teoría completa de las interacciones fundamentales.

Todas estas versiones de las teorías que tratan de unificar a las cuatro fuerzas de la Naturaleza han sido unificadas de forma magistral por W. Witten en su Teoría M que, sin embargo, y a pesar de su belleza descriptiva, aún no consigue el objetivo buscado, ya que, las matemáticas necesarias para su desarrollo final aún no son conocidas y las energías que exigen la experimentación no está en este mundo nuestro, estamos hablando de energías que sólo existieron en el momento de la creación.

Muchos han imaginado un agujero negro microscópico que contiene tanto las leyes de la gravedad como las de la mecánica cuántica y, la pregunta sería ¿cómo se debe describir su comportamiento? La pregunta tiene su lógica en que ese hipotético agujero negro se debería comportar como un átomo o molécula que obedecería a las leyes de la mecánica cuántica.

Cuando se hicieron cálculos en esa dirección, la sorpresa fue mayúscula, ya que las matemáticas que surgían eran las de la teoría de cuerdas. La fórmula para la captura y emisión de partículas por un agujero negro es exactamente igual a la fórmula de Veneziano. Lo cual resultaba extraño ya que no era un tema de cuerdas. Todo esto nos dice que la teoría de cuerdas está inacabada y, de manera formal, no podemos decir (aún) que algún día pueda ser compatible con la Gravedad.

Pero en la mecánica cuántica existen otros escenarios muy atractivos para nuestra imaginación. Sabemos que los átomos están formados por pequeños constituyentes, los protones, neutrones y electrones. Luego descubrimos que esos constituyentes, a su vez, tienen una subestructura: están formados de quarks y gluones. ¿Por qué, como probablemente todos hayamos pensado, el proceso no puede continuar así? ¿Quizá esos quarks y gluones, e igualmente los electrones y todas las demás partículas aún llamadas “elementales” en el modelo estándar, están a su vez construidas de unos gránulos de materia aún menores que no hemos sido capaces de observar en nuestros aceleradores de partículas?

Miremos a los quarks de un protón. La mecánica cuántica, la teoría maravillosa que controla todo el micromundo con increíble precisión, exige que el producto de la masa por la velocidad, el llamado “momento”, debe ser inversamente proporcional al tamaño de la “caja” en la cual ponemos nuestro sistema. El protón puede ser considerado como una de tales cajas y es tan pequeño que los quarks en su interior tendrían que moverse con una velocidad cercana a la de la luz. Debido a esto, la masa efectiva de los dos quarks más pequeños, up y dowm, es aproximadamente de 300 MeV, lo que explica porque la masa del protón es de 900 MeV, mucho mayor que la suma de la masa en reposo de los quarks y gluones.

En contraste con el protón, los propios quarks y también los leptones y todas las demás partículas en el modelo estándar parecen ser “puntuales”. Con esto quiero decir que sus propiedades no cambiarían ni siquiera cuando se colocaran en una caja mil veces más pequeñas que un protón. Aquí está nuestra dificultad: supongamos que estas partículas estuvieran compuestas de constituyentes aún más pequeños, estos tendrían que estar empaquetados más estrechamente y, por lo tanto, tendrían mucha más energía cinética (energía debida a sus rápidos movimientos) que habría que añadir a su propia masa. Pero entonces, ¿por qué son los quarks y los electrones tan ligeros?

Esto lo puedo explicar de forma más complicada. Los quarks dentro de los protones tienen tres clases de “masas”. Primero la que llamamos “masa libre”, o la masa que tendría si el objeto estuviera aislado. Pero para aislar un quarks fuera de un protón se necesita una cantidad infinita de energía y, por tanto, la masa libre de un quark es infinita. Esto es un concepto sin sentido y consecuentemente inútil. En segundo lugar, tenemos la masa efectiva de un quark dentro de un protón, que debido a las leyes de la mecánica cuántica está obligado a moverse de un lado para otro con gran velocidad. Ésta se llama “masa constituyente” tiene un valor de 300 MeV que es 1/3 de la masa del protón. La tercera clase de masa es la “masa algebraica”. Ésta es un parámetro que determina las propiedades del objeto llamado “término de masa” en sus ecuaciones. Para otras partículas, este término de masa corresponde a su masa real; para los quarks u y d esta cantidad es sólo de unos 10 MeV. El problema que tenemos es que los hipotéticos nuevos ladrillos constitutivos tendrían una masa constituyente muy grande, que es muchas veces mayor que la masa del objeto que forman. Es como si te pidieran construir una casa ligera como las briznas de algodón pero con sus pilares y estructura hechos de un material tan compacto como el acero macizo.

Claro que (como se suele decir), la esperanza es lo último que podemos perder, la Naturaleza misma nos ha dado un ejemplo de cómo se pueden conseguir cosas como esta. El pión también está formado por quarks y, como no es mucho más grande que el protón sería de esperar que ahí los quarks también tengan masas constituyentes de unos 300 MeV. Sin embargo, el pión, en vez de 600 MeV, solamente pesa 135 MeV. Esto se debe a que la masa del pión está protegida por una simetría: el pión es (aproximadamente) un Bosón de Goldstone.

Esto significa que quizá halla una forma de ver partículas tan ligeras como el electrón y que estén formadas por ladrillos constitutivos “más pesados”. Para ello se deben introducir simetrías, quizá tantas como partículas haya en el modelo estándar y, así, se podría explicar que todas las partículas conocidas son tan ligeras porque sus masas están protegidas por una simetría. Sin embargo, resulta que convertir esta idea en una receta matemática precisa es una tarea difícil.

Pocos son los casos en los que una partícula compuesta, de una manera espontánea, ha roto la simetría: uno sería el viejo modelo sigma de Gell-Mann y Lévy (la partícula Sigma compuesta realmente por quarks) y el otro es la teoría BCS de la superconductividad, donde aparece un fenómeno similar al mecanismo de Higgs debido a un estado ligado de dos electrones (el par de Cooper). Pero en el Modelo estándar se conocen con precisión muchas de las propiedades de las partículas de Higgs porque son responsables de las masas de las partículas conocidas.

Quizá el nuevo acelerador Large Hadrón Collider (LHC), que ya está en marcha, nos pueda desvelar algunos de los fenómenos asociados a tales esquemas, algunos incluso tienen la esperanza de que aparezcan, además del Bosón de Higgs, algunas otras partículas predichas en la teoría supersimétrica  que ellos denominan WIMP y que, según dicen, pueblan los huecos de las galaxias y son, así responsables de la masa perdida que los astrofísicos no dejan de buscar.

Eso sería otra historia y, como el comentario tiene que finalizar, la dejaremos para contarla en otro próximo en el cual hablemos de esa “hipotética” materia y energía oscura que, en realidad, no sabemos con certeza ni que pueda existir y, de momento, parece más un artilugio de los cosmólogos para que las cuentas del Universo cuadren.

emilio silvera

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