Cada campo tiene su vacío en la teoría cuántica de campos. Con el término vacío se entiende su estado de mínima energía. En general, en la teoría cuántica de campos los campos quedan descritos por una colección o serie de osciladores armónicos cuyos modos de oscilación posibles corresponden en principio con todas las longitudes de onda posibles. Esto se sigue del mero hecho de modelar el comportamiento del campo como una superposición de ondas a distintas frencuencias, y asumir unas ecuaciones de movimiento a nivel clásico.

Si hay un oscilador de estos “activado”, es decir oscilando a una determinada frecuencia, se dice que existe una exictación del campo dando lugar a una o varias partículas de esa longitud de onda (o momento lineal según la relación de de-Broglie). Cuando no existen partículas el campo está en su estado vacío. No obstante, en su estado fundamental un oscilador armónico cuántico “desactivado” no tiene energía nula, sino E = 1/2ωħ, siendo ω la frecuencia y ħ la constante de Planck normalizada. Esto es debido al principio de incertidumbre, que impide determinar posición y momento con precisión arbitrariamente grande, lo cual impide por tanto que la energía cinética y potencial en la ecuación de movimiento clásica del oscilador se anulen simultaneamente.

La energía del vacío del campo es una integral sobre todas las frecuencias de 1/2ωħ. Esta integral es infinita. No obstante, este valor se puede redefinir arbitrariamente a cero, ya que lo que interesa son valores respecto de él, que nos permitan distinguir lo que conocemos como “vacío”, sin partículas, de excitaciones comportándose como partículas. Conviene por tanto restar ese infinito para poder seguir calculando y obteniendo resultados finitos.

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El Invernadero Marciano

Los ríos marcianos ofrecen una clara evidencia de que el planeta fue en algún momento más caliente y más húmedo. Pero, ¿cómo pudo ser esto? A primera vista hay una buena razón para creer que Marte debería haber estado aún más frío en el pasado que lo está hoy. Dicha razón tiene que ver con el denominado problema del Sol joven. A medida que el Sol envejece, se hace poco a poco más brillante debido a cambios en su constitución química.

Hace cuatro mil millones de años, habría sido un 30 por 100 más tenue de lo que  es hoy, reduciendo drásticamente su efecto calentador sobre el lejano Marte. Esto estaría contrarrestado en parte por el calentamiento geotérmico, producido por la radiactividad y el calor almacenado procedente de la formación del planeta, y ambos efectos fueron mucho más fuertes en el pasado. Sin embargo, el flujo de calor geotérmico por sí sólo no compensaría el efecto del Sol joven, tenue, y hay que encontrar otras razones para un clima más tibio.

La manera más fácil de hacer un planeta más caliente es utilizando el efecto invernadero. Los gases invernadero tales como el dióxido de carbono actúan como un parasol, atrapando el calor del Sol cerca de la superficie del planeta. Hoy la atmósfera marciana es demasiado delgada para producir mucho calentamiento por efecto invernadero, pero ciertamente habría sido mucho más espesa durante los primeros mil millones de años. Como sucede con la Tierra, Marte adquirió una densa atmósfera inicial tanto por la degasificación del planeta como por el aporte de sustancias volátiles por parte de cometas, asteroides y planetesimales helados. Un CO₂ abundante habría elevado la temperatura de modo espectacular.

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Precisamente hoy, a las 9.30 h., en la Bienal de Física, el Nobel Geoarge Smoot, nos hablará de la radiación de fondo o el eco cósmico que ha quedado después del Big Bang, al menos eso es lo que creemos. Para dejar el tema un poco más claro, dejemos el apunte siguiente:

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 como todos ustedes, decido según mi propio criterio, que no obligatoriamente, coincidirá con alguna de esas opiniones, y, en algún caso, hasta me permito emitir, la mía propia.

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 es naturalmente una teoría de la Creación.

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¿Cómo se originó el Universo?

Por un lado está la teoría ampliamente aceptada del Big Bang, la Gran Explosión, según la cual el universo era originalmente algo extremadamente denso, pequeño y caliente, que en cuestión de décimas de segundo se expandió y se enfrió radicalmente, y aún continúa expandiéndose. Algo así como una torta de pasas en el horno que crece separando las pasas (o galaxias) unas de otras. Pero hay expertos que proponen un modelo nuevo según el cual el origen no fue una única Gran Explosión, sino muchas. Una continua cadena de universos que se suceden y repiten unos a otros, pero sin ser réplicas exactas de los anteriores. En cuanto a la edad del universo, las observaciones recientes sugieren que tiene entre 13.5 y 14 mil millones de años.

¿Cuál es el futuro del Universo?

Según la nueva teoría de los universos que se continúan, el universo no morirá, sino que seguirá repitiéndose. ¿O tal vez será un universo frío y oscuro, a medida que las galaxias y estrellas se separan unas de otras y su luz y calor se pierden en las tinieblas, expandiéndose eternamente y enfriándose hasta llegar a un estado de frío absoluto, donde las moléculas no tienen energía para realizar el menor movimiento? ¿O será un universo que, tras expandirse, llegará a un momento en el que se comenzará a colapsar sobre sí mismo y entonces el problema será a la inversa? Últimamente hay otras teorías que hablan de un Big Rip (Gran Rasgadura), en el que la tasa de expansión sería tan tremenda que los grupos de galaxias, las estrellas, la energía oscura y todo lo demás se convertiría en una especie de tela que es estirada hasta rasgarse.

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La baja densidad media de materia en el Universo significa que si agregáramos material en estrellas o galaxias, deberíamos esperar que las distancias medias entre objetos fueran enormes.

El cuadro expresa la densidad de materia del universo de varias maneras diferentes que muestran el alejamiento que cabría esperar entre los planetas, estrellas y galaxias. No debería sorprendernos que encontrar vida extraterrestre sea tan raro.

El filósofo existencialista Kart Jaspers se sintió provocado por los escritos de Eddington a considerar el significado de nuestra existencia en un lugar particular en una época particular de la historia cósmica.

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