Desde su primera edición, éste Blog ha participado de forma generosa con el Carnaval de Física que comenzó hace ahora algo más de un año. Todos los meses se celebra una nueva edición, y, dentro delos margenes que nos podemos permitir, dejamos aquí algunos trabajos de Fisica destinados a ese Carnaval. La idea partió de Gravedad Cero, un par de amigos dela Ciencia, y, ahora, estamos celebrando la edición XVII. Así que, aquí dejamos un trabajo de colobaración con el título:

¡La Física!  Siempre a vueltas con sus teorías.

Cuando pienso en la teoría cuántica, que según los datos que tenemos, fue inventada por Max Planck en 1900 (y, desarrollada más tarde por otros muchos como Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Bhor, Feynman, Dirac…) para explicar la emisión de radiación de cuerpo negro de cuerpos calientes. Todos sabemos que de acuerdo con esa teoría la energía se emite en cuantos, cada uno de los cuales tiene una energía igual a hѵ, donde h es la constante de Planck y ѵ es la frecuencia de radiación.

Esta teoría condujo a la teoría moderna de la interacción entre materia y radiación conocida como mecánica cuántica, que generaliza y reemplaza a la mecánica clásica y a la teoría electromagnética de Maxwell.

En la teoría cuántica no relativista se supone que las partículas no son creadas ni destruidas, que se mueven despacio en relación a la velocidad de la luz y que tienen una masa que no cambia en relación a la velocidad. Estas suposiciones se aplican a los fenómenos atómicos y moleculares y a algunos aspectos de la física nuclear. La teoría cuántica relativista se aplica a la velocidad de la luz o cerca de ella.

Muchas veces hemos oído hablar de la teoría clásica de campos cuando los físicos describen un campo mediante la física clásica en vez de por la mecánica cuántica. Algunos ejemplos de teoría clásica de campos son la electrodinámica clásica, descrita por las ecuaciones de Maxwell, y la teoría general de la relatividad, que describe la gravitación clásica.

Una teoría clásica de campos emerge como límite de la correspondiente teoría cuántica de campos. Para que una teoría clásica de campos pueda ser aplicada a escala macroscópica es necesario que la interacción sea de largo alcance, como son en electrodinámica y en gravitación, en lugar de ser de corto alcance, como las fuerzas nucleares. La teoría clásica de campos también se utiliza por conveniencia matemática para describir la física de los medios continuos, como los fluidos.

La teoría cuántica de campos es una teoría mecano-cuántica aplicada a sistemas que tienen en número infinito de grados de libertad. En las teorías cuánticas de campos, las partículas se representan por campos que tienen modos normales de oscilación cuantizados. Por ejemplo, la electrodinámica cuántica es una teoría cuántica de campos en la que el fotón es emitido o absorbido por partículas; el fotón es el cuanto de campo electromagnético. Las teorías cuánticas de campos relativistas son usadas para describir las interacciones fundamentales entre partículas fundamentales. Predice la existencia de anti-partículas y también muestra la conexión entre el espín y la estadística que da lugar al Principio de exclusión de Pauli.

A pesar de su éxito, no está claro si una teoría cuántica de campos puede dar una descripción unificada de todas las interacciones (incluyendo la interacción gravitacional).

Con esta última observación nos metemos de lleno en lo que entendemos como una teoría de conjunto o, campo unificado, que relacionarían las interacciones electromagnéticas, gravitaciones, fuertes y débiles en un único conjunto de ecuaciones.

En su contexto original la expresión se refería sólo a la unificación de la relatividad y la teoría electromagnética clásica. Hasta el momento, no se ha encontrado ninguna teoría de ese tipo, pero se han realizado algunos progresos en la unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles en la llamada teoría electrodébil.

Einstein intentó derivar la mecánica cuántica a partir de una teoría de campo unificado, pero ahora se piensa que cualquier teoría unificada decampo debe comenzar con la mecánica cuántica.

Intentos de construir teorías unificadas de campos como la supergravedad y la teoría de Kaluza-Klein, han desembocado en grandes dificultades. En el presente no está claro si el marco de una teoría cuántica de campos relativista es adecuado para una teoría unificada de todas las interacciones fundamentales conocidas y las partículas fundamentales, o si uno debe recurrir a objetos extensos, como supercuerdas o supermembranas.Las teorías de campos unificados y otras teorías fundamentales, como lateoría de supercuerdas o lateoría de supermembranas, son de gran importancia para entender la cosmología, particularmente, el universo primitivo. A su vez, la cosmología impone restricciones sobre la teorías decampo unificado.

Así, nos metemos de cabeza en la teoría de gran unificación (GUT) que intenta combinar las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas en una única teoría gauge con un único grupo de simetría. Hay una serie de teorías diferentes, la mayoría de las cuales postulan que las interaciones se unifican a altas energías en una única interacción (el modelo estándar se obtiene de la GUT como resultado de una simetría rota).

La energía por encima de la cual las interacciones son las mismas es del orden de 10¹⁵ GeV, que es mucho mayor que las que se pueden alcanzar con los aceleradores existentes incluido el LHC. Otras fuentes postulan que, en realidad, lo que unificaría a todas las fuerzas fundamentales de la Naturaleza sólo sería una energía como la energía de Planck, es decir 10¹⁹ GeV que, está muy lejos de nuestro alcance.

Una predicción de las GUTs es la existencia de la desintegración del protón. Algunas también predicen que el neutrino tiene masa no nula. No tenemos evidencias concluyentes de cualquiera de estas dos predicciones por el momento.

Así hemos llegado a la teoría de supercuerdasque unificando a todas las interacciones incorpora supersimetría y en la que los objetos básicos son objetos unidimensionales (supercuerdas). Se piensa que las supercuerdas tienen una escala de longitud del orden de unos 10 ⁻³⁵ metros y,como distancias muy cortas están asociadas a energías muy altas, tienen una escala de energía (lo decía antes) del orden de 10¹⁹ GeV,muy por encima de la energía con la cual podríamos construir el más moderno acelerador, ya que, en la actualidad, no tenemos la capacidad para ello.

Las cuerdas asociadas a los Bosones sólo son consistentes como teoría cuántica en un espacio de 26 dimensiones; aquella asociada con los fermiones sólo lo son en un espacio-tiempo de 10 dimensiones. Se piensa que las cuatro dimensiones microscópicas surgen por un 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 incorpora y contiene una teoría cuántica dela interacción gravitacional. Se piensa que las supercuerdas está libre 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 cuerdas está libre de infinitos,pero no hay aún una prueba definitiva.

La última versión, la más avanzada, es la llamada teoría M, que desarrollada por E.Witten en 11 dimensiones, parece ser (al menos de momento), la más prometedora hacia el futuro. Aunque no hay evidencias directas de las supercuerdas éstas son compatibles con los hechos experimentales observadosen las partículas elementales, como la posibilidad de que las partículas no respeten paridad, lo que en efecto ocurre en las interacciones débiles.

Está claro quela Física Moderna, no descansará hasta encontrar una respuesta clara, que de manera sencilla y sin controversia explique el motivo por el cual el Modelo Estándar de la Física de Partículas, no incluye a la Gravedad, y, eso, amigos míos, no podrá tener una contestación autosuficiente hasta que, en un futuro (más o menos lejano) podamos obtener la fuente de energía de Planck (10¹⁹ GeV) para que, de una vez por todas, podamos verificar experimentalmente, la Teoría M que, como sabéis, unifica todas las versiones de esas nuevas teorías.

emilio silvera

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Los seres humanos, si miramos hacia atrás en el tiempo, han tenido que realizar un enorme recorrido, pasar un sin fin de calamidades, luchar con sus manos vacías contra los elementos y los demás peligros a los que, su desnudez tecnológica les tenía sometidos, y, se dejaron por el camino grandes pérdidas en vidas que por uno u otro motivo, se perdían al estar desvalídos ante tan insuperables obtáculos. Pero, a pesar de todo eso, hasta aquí hemos podido llegar logrando un nivel de conocimiento que era impensable hace sólo un par de siglos: Grandes telescopios que vigilan el Universo y nos traen imágenes de estrellas y galaxias situadas a miles de millones de años-luz de la Tierra y las poemos contemplar como eran hace mucho, muchisimo tiempo, y, de la misma manera, nuestros ingenios espaciales (naves y sondas) parten desde nuestro planeta con misiones hacia otros mundos lejanos y, tras un largo y peligroso viaje, llegan a su destino, realizan el trabajo encomendado y nos envían los datos físicos del planeta, de la luna o del cometa y el informe es completado con múltiples imágenes que los científicos pueden estudiar para su valoración. No hablemos de adelantos en el campo de la Ingenieria, de la Medicina, de la Biología, de la Genética, de los Materiales…También en Matemáticas y Física han sido grandes los avances que hemos podido lograr.

Huygens en Titán

La Sonda Génesis hacia el Sol

La Cassini hacia Saturno

Y tantas otras hacia Mercurio, la Luna, Venus, Marte, Júpiter, Saturno, Urano o Neptuno y otros objetivos más lejanos de nuestro Sistema Solar que, poco a poco podemos ir conociminedo.

El conocimiento que actualmente tenemos en las distintas ramas del saber (el conocimiento es un árbol enorme, las raíces que lo sustenta son las matemáticas, el tronco es la física, y a partir de ahí, salen las ramas que corresponden a los distintos disciplinas del saber, tales como química, biología, astronomía, etc), tiene su origen muy lejos en el pasado, en civilizaciones olvidadas que dejaron las huellas de su saber a otras que, como los sumerios, egipcios, chinos, hindúes y los griegos antiguos, hace ahora de ello algunos miles de años a.  de C., aprovecharon esos conocimientos y se dieron cuenta de que el mundo que les rodeaba y los acontecimientos naturales que ocurrían eran totalmente ajenos a los Dioses del Olimpo y a la mitología.

Thales de Mileto, uno de los siete sabios de Grecia, así lo entendió; dejó a un lado a los Dioses y expresó sus ideas empleando la lógica observando la Naturaleza. Él fue el primero que se dio cuenta de la importancia que tenía el agua para la vida. Empédodes, otro pensador, dijo que todo estaba formado por cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego que, combinados en la debida proporción se convertirían en los distintos materiales de los que estaban formados todas las cosas. Demócrito de Abdera nos habló de algo invisible e indivisible como el componente más pequeño de la materia, le llamó a-tomo o átomo. Sócrates, Aristóteles o Platón (y otros) nos introdujeron en el campo de la filosofía, y Anaximandro, Anaxímedes, Pitágoras, Euclides y muchos más, nos enseñaron astronomía, matemáticas-geometría, medicina, etc.

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La realeza en Babilonia, no era enterrada sola, junto al rey y a la reina, en una cámara (según descubrió el arqueólogo británico Woolley), yacía una compañía de soldados -junto a sus huesos hallaron cascos y lanzas de cobre- y en otro recinto estaban los  esqueletos de nueve damas de la corte, todavía luciendo sus intrincados tocados.  Aunque se trataba de una práctica espeluznante, es una muestra de las creencias antiguas.

No se pudo encontrar texto alguno que mencionara a este entierro, lo que hace pensar que, cuando sucedió, aún no se conocía la escritura. Sin embargo, este hecho no debe inducirnos a equivocaciones sobre este pueblo.

Fue en  Babilonia donde se desarrolló la música, la medicina y las matemáticas y donde se inventaron las bibliotecas, donde se pintaron los primeros mapas y donde nacieron la química, la botánica y la zoología.

Los templos eran importantes y en ellos tenemos el primer gran ejemplo de arquitectura monumental.  Estaban construidos sobre enormes plataformas que, con el paso del tiempo,  se fueron elevando cada vez más, hasta finalizar convirtiéndose en torres escalonadas provistas de terrazas y coronadas por santuarios y se denominan zigurats, palabra de origen asirio que probablemente se remonte al término acadio pronunciado zigguaratu, cumbre o cima de la montaña, más antiguo.

Antes nos referíamos a los orígenes de la escritura y nombramos lo que Anise Schmandt-Besserat, llamó especimenes (figurillas de arcilla muy elaboradas y variadas) y cuyas primeros hallazgos se remontan a entre 8.000 y 4.300 años a. de C.

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Decimos que la Tierra, nuestro Mundo, tiene unos 4.500 Millones de años. Sin embargo, pocas veces nos paramos a pensar en cómo pudo surgir, y, en su devenir a lo largo del Tiempo, los hechos y sucesos que tuvieron que pasar hasta que, después de miles de millones de años (no por arte de magia), y por evolución y transiciones de fases bioquímicas, aparecieron  aquellas primeras células capaz de replicarse y que posibilitaron que, mucho más tarde,  apareciéramos nosotros aquí, pasando por un período largo y penoso para haber podido evolucionar y llegar a ser conscientes de que todo esto ha ourrido a partir de la “materia inerte” que, al evolucionar, se transformó (en nuestro caso) en seres vivos y conscientes.

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En el Universo existen y están presentes una serie de interacciones que, de manera general, denominamos:

Fuerzas Fundamentales:

Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.  Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el Universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar, en una teoría o modelo, a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones.  Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros, antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del Universo.  Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles. Incluso, a partir de la Relatividad Geneneral, saltaron a las noticias la posibilidad de realizar viajes en el Tiempo a través de Aguejeros de gusano, aunque después, se han ideado otras maneras que, seguramente, serán más factibles en el futuro.

Un nuevo prototipo de máquina del tiempo que, en vez de objetos masivos, utiliza energía luminosa en forma de rayos láser para curvar el tiempo, ha sido ideada por el físico de la Universidad de Connecticut, Ronald Mallet. Ha utilizado ecuaciones basadas en las teorías de la relatividad de Einstein para observar la curvatura del tiempo a través de un rayo de luz circulante obtenido por medio de una disposición de espejos e instrumentos ópticos. Aunque su equipo aún necesita fondos para el proyecto, Mallett calcula que este método permitirá que el ser humano viaje en el tiempo quizá antes de un siglo. (Por Mario Toboso)

La relatividad general, dejó claro el concepto de la fuerza Gravitatoria, unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética, es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa, es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan.  Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos.  En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del Universo juntos.  De hecho, sin esta fuerza, no existiría el Sistema Solar, ni las galaxias, y seguramente, ni nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clasica de la Gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal, es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

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