El fascinante mundo de lo que no podemos ver

El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856 – 1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54) x 10^-31 kg la primera y, 1,602 177 33 (49) x 10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico:  no se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos cursiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

¡No por pequeño, se es insignificante!

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones*.

Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de 0, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín).  La única forma que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula tau con sus correspondientes neutrinos: ν_e, ν_μ y ν_τ.

Existen razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales.  Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

La fuerza gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética.  Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/10³⁹ de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin descubrir) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón y, por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

De todos modos, el físico norteamericano Joseph Weber emprendió en 1.957 la formidable tarea de detectar el gravitón.  Llegó a emplear un par de cilindros de aluminio de 153 cm. De longitud y 66 de anchura, suspendidos de un cable en una cámara de vacío.  Los gravitones (que serían detectados en forma de ondas), desplazarían levemente esos cilindros, y se empleó un sistema para detectar el desplazamiento que llegare a captar la cienmillonésima parte de un centímetro.

Las débiles ondas de los gravitones, que producen del espacio profundo, deberían chocar contra todo el planeta, y los cilindros separados por grandes distancias se verán afectados de forma simultánea.  En 1.969, Weber anunció haber detectado los efectos de las ondas gravitatorias.  Aquello produjo una enorme excitación, puesto que apoyaba una teoría particularmente importante (la teoría de Einstein de la relatividad general).  Desgraciadamente, nunca se pudo comprobar mediante las pruebas realizadas por otros equipos de científicos que duplicaran el hallazgo de Weber.

De todas formas, no creo que, a estas alturas, nadie pueda dudar de la existencia de los gravitones, el bosón mediador de la fuerza gravitatoria.  La masa del gravitón es o, su carga es o, y su espín de 2.  Como el fotón, no tiene antipartícula, ellos mismos hacen las dos versiones.

Tenemos que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro Universo: Los agujeros negros.  Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contrario), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce una ondulación en la curvatura del espacio-temporal que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones.

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transporta de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del Universo.  Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler,  es la escala de longitud por debajo de la cual el espacio tal como lo conocemos deja de existir y se convierte en espuma cuántica.  El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler o aproximadamente 10^-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2,61 x 10^-66 cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

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 finita.  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.

No puedo dejar de referirme al vacio theta (vació θ) que, es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs).

En el vacío theta hay un número infinito de estados degenerados con efecto túnel entre estos estados.  Esto significa que el vacío theta es análogo a una fundón de Bloch* en un cristal.

Se puede derivar tanto como un resultado general o bien usando técnicas de instantón.  Cuando hay un fermión sin masa, el efecto túnel entre estados queda completamente suprimido.

Cuando hay campos fermiónicos con masa pequeña, el efecto túnel es mucho menor que para campos gauge puros, pero no está completamente suprimido.

El vacío theta es el punto de partida para comprender el estado de vacío de las teorías gauge fuertemente interacciontes, como la cromodinámica cuántica.

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.

Estas regiones son a menudos (aunque no siempre) esféricas.  El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de a.l. y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de a.l. de la Vía Láctea.  La existencia de grandes vacíos me sorprende a la comunidad de astrónomos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes.

Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que esta demasiado lleno, hasta el punto de que, su contenido, nos manda mensajes que, aunque hemos captado, no sabemos descifrar. Cuándo esté totalmente preparado para ello, os lo contaré, el mensaje permanece escondido fuera de nuestra vista*.

Sabemos referirnos al producto o cociente de las unidades físicas básicas, elevadas a las potencias adecuadas, en una cantidad física derivada.  Las cantidades físicas básicas de un sistema mecánico son habitualmente la masa (M), la longitud (L) y el tiempo (T).  Utilizando estas dimensiones, la velocidad que es una unidad física derivada, tendrá dimensiones L/T y la aceleración tendrá dimensiones L/T². Como la fuerza es el producto de una masa por una aceleración, la fuerza tiene dimensiones MLT^-2.  En electricidad, en unidades SI, la corriente, l, puede ser considerada como dimensionalmente independiente y las dimensiones de los demás unidades eléctricas se pueden calcular a partir de las relaciones estándar.  La carga, por ejemplo, se puede definir como el producto de la corriente por el tiempo.  Por tanto, tiene dimensión IT.  La diferencia de potencia está dada por la relación P=Vl, donde P es la potencia.  Como la potencia es la fuerza x distancia de dividir el tiempo (MLT²xLxT^-1=ML²T³), el voltaje V está dado por V=ML²T³l^-1.  Así queda expresado lo que en física se entiende por dimensiones referido al producto o cociente de las cantidades físicas básicas (como dijimos al principio.)

Pero volvamos de nuevo a 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.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas “regiones vecinas” de las que tales fluctuaciones toman la energía.

¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs?

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 existo.  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, como antes decía, 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”?

No puedo contestar de momento esa pregunta, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí, de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ve, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y solo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del Universo que no se corresponde en absoluto, con la masa y la energía que podemos ver.

Estoy atando cabos sueltos, uniendo piezas y buscando algunas que están perdidas de tal manera que, por mucho que miremos, nunca podremos ver.  El lugar de dichas piezas pérdidas no está en nuestro horizonte y se esconde más allá de nuestra percepción sensorial.

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 materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad que, también está implícita en la teoría M.

Estamos anclados, necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas “virtuales” que atan nuestras mentes a ideas del pasado.

En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión.  Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aún estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo, el Hiperespacio de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad.

Cuando sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy, no sabemos resolver.

Pero profundicemos un poco más en lo que se entiende por fluctuaciones de vacío.

Las Fluctuaciones de vacío son las oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo de fuerza (electromagnético o gravitatorio) que son debidas a una especie de “tira y afloja” en el que pequeñas regiones del espacio toman prestadas, momentáneamente, energía de regionaes adyacentes y luego, casi de inmediato, las devuelven.

Pero, ¿De qué regiones adyacentes?

¿Universos paralelos al nuestro?

¿Deformaciones del espaciotiempo a escalas microscópicas?

¿Micro agujeros negros que pasan a ser agujeros blancos en escalas microscópicas de tiempo?

¿Otras posibilidades por nosotros desconocidas?

Pero, ¿Por qué se forman esas partículas virtuales que se aniquilan o desaparecen sin que podamos acapturarlas?

Parece que estas fluctuaciones ocurren en cualquier lugar, pero que, en circunstancias ordinarias, son tan minúsculas que ningún observador o experimentador las ha detectado hasta la fecha.

Estas fluctuaciones son más poderosas cuanto menos escala se considera en el espacio y, por debajo de la Longitud de Planck-Wheeler (10^-33 cm), las fluctuaciones de vacío son tan enormes que el espacio tal como lo conocemos “pareciera…hervir” para convertirse en borbotones de espuma cuántica, la cual, cubre todo el vacío cuántico.

Recientemente se han alzado algunas voces autorizadas contra el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

En un artículo de la prestigiosa revista “Nature”, el premio Nobel de Física Gerard ´Hooft, propone que la naturaleza probabilística de la Mecánica Cuántica desaparecería a la escala de Planck, en la que el comportamiento de la materia sería determinista (ya sabeis, ese punto de vista filosófico que defiende que todos los acontecimientos están sometidos a las leyes naturales de carácter causal y mecánico); a longitudes mayores, energías más pequeñas.

El mundo de lo muy pequeño (el micro espacio), a nivel atómico y subatómico, es dominio de la física cuántica.

Así, nunca podríamos saber, de acuerdo al Principio de Incertidumbre y, en un momento determinado, la posición y el estado de una partícula.

Este estado podría ser una función de la escala espacio-temporal.

A esta escala de tamaño todo sucede demasiado deprisa para nosotros.

Si nos pudiéramos convertir en electrones, por ejemplo, sabríamos donde y como estamos en cada momento y todo lo que sucediese a nuestro alrededor transcurriría a un ritmo más lento.

El electrón, bajo nuestro punto de vista se mueve a 7 millones de Km/h.

A medida que se asciende en la escala de tamaños, el tiempo también se ajusta a esta escala; los objetos, a medida que se hacen mayores de tamaño, no sólo se mueven más despacio sino que tienen mayor duración, el periodo de su existencia.

En nuestra macro escala, los acontecimiento y los objetos, se mueven a velocidades que a nosotros nos parecen normales. Si se mueven con demasiada lentitud, nos parece que no se mueven…

Así hablamos de escala de tiempo geológico, para referirnos al tiempo y la velocidad de la mayor parte de los acontecimientos geológicos que afectan a nuestra Tierra; el tiempo transcurre, aquí, en millones de años y nosotos no lo apreciamos; nos parece que todo está inmóvil; nosotros, funcionamos en una escala de años (tiempo biológico).

El tiempo Cosmológico es todavía más dilatado y los objetos cósmicos tienen una mayor duración aunque su movimiento puede ser muy rápido, debido a la inmensidad del espacio universal.

La Tierra orbita alrededor del Sol a una velocidad media de 30 KM/s. El Sol se desplaza en su galaxia, La Vía Láctea, a una velocidad media de 270 Km/s.

Además se incrementa no sólo el tiempo sino también el espacio pues ambos, como todos sabemos, están ligados en una especie de única maya elastica que los contiene conexionados.

Así, el espacio dentro de un átomo, es muy pequeño; dentro de una célula, es algo mayor; dentro de un animal, mayor aún y así sucesivamente…hasta llegar a los enormes espacios, que separan a las estrellas y a las galaxias en el Universo.

En 1923, el físico Luís de Broglie creó una ecuación matemática que contrinuyó a resolver la naturaleza dual de todos los campos electromagnéticos y desembocó en un nuevo aspecto de la Física.

Se demostró que la Materia abarca un flujo, una multitud de campos de energía cuyas complejas interacciones crean lo que a nuestros ojos parecen partículas.

Los objetos masivos presentan pequeñas longitudes de onda de energía y los objetos con una pequeña masa muestran mayores longitudes de onda.

Por eso podemos percibir el mundo material como a un “universo de partículas” (las longitudes de onda de su energía, son demasiado pequeñas para percibirlas) y, al mismo tiempo, la realidad subatómica, parece ondulatoria (sus longitudes de onda son lo bastante grandes como para resultar más significativas).

Así, el mundo real (Material) se crea a partir de “un agitado flujo de energía radiante que burbujea en el vacío cuántico”.

No resulta muy lejano a lo que he comentado acerca de una posible “Energía Creadora” ¡Todo podría ser! Como lo imaginamos y seguramente, más inverosímil aún.

Si llevamos estos principios hasta las últimas consecuencias. La física cuántica sugiere que el universo sólido y temporal que percibimos es sólo una impresión de nuestras limitadas percepciones que, estarían frenadas por una serie de carencias físicas e intelectuales que nos impedirían ver el universo tal como en la realidad es.

La verdadera realidad cuántica, entonces, debería ser:

• Inmaterial.
• Atemporal/Inespacial.

Según Heisenberg “las ondas de de probabilidades cuánticas se debilitan con la distancia”, pero como todos los campos energéticos, nunca mueren del todo…Esto sugiere que en el Universo cada unidad interactúa con todo lo demás; el Cosmos es, entonces, una especie de Entidad colectiva donde es imposible que, una parte actúe sin influir sobre todas las demás…

Algo así como lo que ocurre, a menor escala, con nuestro cuerpo humano y su relación de dependencia con todos y cada uno de sus componentes que, lo que ocurra a uno, influye en la marcha de todos los demás.

Finalmente:

Asimismo, como todo campo de energía disminuye su fuerza con la distancia “la presión gravitatoria universal” (un campo energético gravitatorio , proveniente de las reacciones nucleares en las estrellas y de las conflagraciones estelares), deberían debilitarse con la distancia, a pesar de que, nunca “muera”.

Sin embargo, por todo el Universo, los racimos de galaxias se alejan aceleradamente y, los físicos siguen calculando que tal repulsión, proviene desde la presión negativa del vacío, podríamos encontrar el final del túnel, a la “Energía Creadora”, en una de sus posibles manifestaciones.

¡Quien lo podría negar o asegurar? ¡Nadie! Desde luego, hoy por hoy, como las que aquí expongo hoy, todo son conjeturas que nos devuelven de nuevo al Principio de Incertidumbre que en el Universo, está presente a todos los niveles para recordarnos…¡Nuestra enorme ignorancia!.

emilio silvera

* Dualidad onda partícula en el comportamiento del electrón, por ejemplo. Volver

* Teorema de Bloch: relativo a la M.C. de los Cristales, que estable que la función de ondas Ψ (π)=exp (ik’π) U (π). Volver

* De manea similar a como las ondas gravitacionales salen despedidas de un agujero negro en rotación. Volver

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