Para la XIX Edición del

El Universo de las partículas es fascinante. Y, como todo lo grande está hecho de cosas pequeñas, no podremos explicar lo que el Universo es sin hablar de estos objetos infinitesimales.

Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundaria.  En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior han registrado la radiación primaria.

El físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que recogió una gran cantidad de información acerca de esta radiación (y que le dio el nombre de rayos cósmicos), decidió que debería haber una clase de radiación electromagnética.  Su poder de penetración era tal que, parte del mismo, atravesaba muchos centímetros de plomo.  Para Millikan, esto sugería que la radiación se parecía a la de los penetrantes rayos gamma, pero con la longitud de onda más corta.

Otros, sobre todo el físico norteamericano Holly Compton, no estaban de acuerdo en que los rayos cósmicos fuesen partículas.  Había un medio para investigar este asunto.  Si se trataba de partículas cargadas, deberían ser rechazadas por el campo magnético de la Tierra al aproximarse a nuestro planeta desde el espacio exterior.  Compton estudió las mediciones de la radiación cósmica en varias latitudes y descubrió que en realidad se curvaban con el campo magnético: era más débil cerca del ecuador magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas de fuerza magnética se hundían más en la Tierra.

Las partículas cósmicas primarias, cuando entran en nuestra atmósfera llevan consigo unas energías fantásticas, muy elevadas.  En general, cuanto más pesado es el núcleo, más raro resulta entre las partículas cósmicas.  Núcleos tan complejos como los que forman los átomos de hierro se detectaron con rapidez, en 1.968, otros núcleos tan complejos como los del uranio.  Los núcleos de uranio constituyen sólo una partícula entre 10 millones. También se incluirán aquí electrones de muy elevada energía.

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Para la XIX Edición

Hace ya algún tiempo que estamos anclados en las Teorías relativistas y de la Mecánica cuántica. Todos sabemos de que tratan esas teorías, las dos versiones de la Relatividad nos hablan, la Relatividad Especial de como la masa y la energía son versiones de la misma cosa, y, nos dice que la velocidad de la luz es un muro infranqueable, nada en nuestro Universo puede ir más rápido que la luz. La Relatividad General, nos lleva a los espacios curvos y a la distorsión del tiempo en presencia de grandes concentraciones de masas, con ella, podríamos decir que nació la verdadera cosmología. La Relatividad General nos habla de lo muy grande, mientras que la Mécánica Cuántica, nos transporta en un viajke por el “universo” infinitesimal de las partículas subatómicas y de los extraños fenómenos que allí suceden.

Está claro que, ambas Teorías, la relatividad especial y general junto con la de la mecánica cuántica, son hoy los pilares de la Física, y, ninguna nueva teoría ha venido a desplazarlas. Existen, eso sí, intentos encomiables que, como la Teoría de Cuerdas, tratan de avanzar hacia el futuro y amplían el radio de acción de la Física hasta límites tan avanzados que, ni podemos comprobarlos de manera experimental, no tenemos las energías necesarias para ello que, según parece, sería la energía de Planck, es decir, la energía proporcionada por la masa de Planck que es la masa de una partícula cuya longitud de onda Compton es igual a la longitud de Planck.

Está dada por m_p = √(ħ c/G), donde ħ es la constante de Planck racionalizada, c es la velocidad de la luz y G es la constante Gravitacional.

La descripción de una partícula de una partícula elemental de esta masa, o partículas que interaccionan con energías por partículas equivalentes a ella (a través de E = mc²), requiere una teoría cuántica de la Gravedad. Como la masa de Planck es del orden de 10⁸ Kg (equivalente a una energía de 10¹⁹ GeV) y, por ejemplo, la masa del protón es del orden de 10^-27 Kg y las mayores energías alcanzables en los aceleradores de partículas actuales son a las que ha llegado el LHC, esos estados de gravitación cuántica no han aparecido en los laboratorios de la física de partículas.

Sin embargo, en el universo primitivo se cree que las partículas tenían energías del orden de la masa de Planck, de acuerdo con la energía del Big Bang, y es, por tanto,  necesaria una teoría cuántica de la gravedad para estudiar las condiciones ahí presentes.

Sí, es mucho lo que se avanza y, en los superconductores, la nanotecnología, la física de vacío, y otros muchos campos hemos llegado a dar pasos de gigante para comprender regiones de la Naturaleza que antes, permanecían en la más absoluta oscuridad. Sin embargo, mucho es lo que nos queda por saber.

Todavía andamos a la gresca con la velocidad de la luz que, al ser el límite impuesto por nuestro Universo para viajar, está limitándo lo que podrían ser los viajes espaciales hacia otros mundos, otros lugares remotos del Cosmos, tan necesarios parqa el futuro de la Humanidad.  Suponiendo que pudiéramos encontrar la manera de correr a la velocidad de la luz, ¿como podríamos burlar las consecuencias, ese fenómeno comprobado en los aceleradores de partículas que, consiste en que un cuerpo dado, al acercarse a la velocidad de c, incrementa considerablemente su masa?

Todo el secreto está en que la Materia (que no acabamos de conocer), no puede moverse más rápida que la velocidad de la luz, y, por otra parte, entra en escena la propiedad de la Materia que es, a un mismo tiempo, un concentrado de masa y energía (E = mc2).

Una vez que sabemos eso, poemos pensar que una partícula lanzada a velocidad relativista, cercana a c (la velocidad de la Luz de 299.792.458 metros por segundo -redondeando 300.000 Km/s)-, cuando aumenta la velocidad y va acercándose a los 299.793 kilómetros por segundo, que es la velocidad de la luz en el vacío, se encuentra con la imposibilidad física que impone nuestro Universo, es decir, nada puede viajar más rápido que la luz, y, es entonces cuando, la energía añadida que impulsa a esa partícula no puede hacerla correr más y se convierte en masa.

El fenómeno se conoce como “masa relativista”, es decir, la masa de un cuerpo (partícula en este caso) que es medida por un observador con respecto al cual ese cuerpo se mueve. De acuerdo con la teoría especial de la relatividad de Einstein, la masa m de un cuerpo moviendose a velocidad v está dada por:

m = mo/√(1 -v2), donde mo es su masa en reposo y c es la velocidad de la luz. La masa relativista sólo difiere significativamente de la masa en reposo si la velocidad a la que viaja es una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Si v = c/2, por ejemplo, la masa relativista es un 15% mayor que la masa en reposo.

Si eso es así (que lo es), creo que por ese lado nunca podremos alcanzar las estrellas y, se necesita una nueva Física que nos lleve por otros caminos, que pueda conciliar fermiones con bosones y que (aunque nos parezca extraño) pueda hablarnos de otras dimensiones o de universos paralelos, fluctuaciones de vacío o de los océanos de Higgs.

Pero, tambien hablamos de Caos molecular e irreversión,  de la Entropía como creadora del orden, de  las ondas de materia que nos propuso Broglie, de Criptografía cuántica con fotones entrelazados, de la Entropía de entrelazamiento y simulaciones de la Mecánica Cuántica, de Computación cuántica topológica, tratamos de determinar la velocidad instantánea en el laboratorio, hemos llegado a poder determinar que es posible la existencia del líquido de Quarks y Gluones y de la estabilidad de la Materia Extraña, y, no deberíamos olvidar que la Física, no pocas veces está relaqcionada con otras disciplinas y puede ser la responsable de dejar al descubierto carencias de la Realidad del Universo y de la Mecánica Cuántica.

Hablamos del Detector de Muones del experimento CMS en el LHC o del Observatorio Integral y su cámara OMC, o, del oscilador de Dirac en iones atrapados y Gatos de Dirac Relativistas. No digamos de los avances conseguidos en láseres y máseres, en nanofotónica y en el apartado de los fullerenos, nuevos materiales cerámicos o ferroeléctricos. Sabemos que la Nanofotónica y la Nanotecnología están en la Frontera de la Física del Estado Sólido. Otros campos como la ciencia de superficies tan importante para saber lo que ocurre en otros planetas y lunas. Los Grafenos magnéticos, cámaras de simulaciones, Modelos teóricos de todo tipo, e, incluso, hablamos de Monopolos magnéticos en “Hielos de Spin”.

Se está tratando, en estos momentos, de conseguir la Clasificación Automática de Espectros Estelares mediante el uso de técnicas de inteligencia artificial sobre archivos astronómicos, y, no olvidemos la importancia que, sobre Astrobiología se están llevando a cabo en el estudio del origen de la vida en el contexto de la evolución del Universo. Sabemos sobre galaxias de gran diseño, sobre estrellas masivas, sobre el origen de inmensas fuentes de rayos Gamma, y, aplicar, el efecto de microlente en quásares.

Una lista interminable sería necesaria para relacionar aquí la cantidad de estudios, investigaciones y experimentos que se están realizando por todo el mundo.

Recuerdo un artículo escrito por Juan Ignacio Cirac y Luis J. Garay que, con el título “El quinto estado de la Materia”, nos venían a explicar las maravillas que se pueden deducir a partir de la Condensación de Bose-Einhstein. En ese estudio se nos explica que, debido a los efectos  estadísticos-cuánticos, cuando un gas de Bosones alcanza una temperatura suficientemente baja y una densidad suficientemente alta, el gas sufre una transición de fase y todos los bosones inciden en ocupar el mismo estado cuántico, y, existen evidencias experimentales de que en la CBE muchos campos de la Física están implicados (superfluidez, superconductividad, física nuclear, QCD, etc.)

Hoy día, muchas investigaciones sobre los Condensados de Bose-Einstein diluidos están dirigidas hacia la creaqción experimental de configuraciones semiclásicas y a sus propiedades en presencia de fluctuaciones cuánticas. Estos gases fríos son fáciles de controlar y manipular, tanto experimental como teóricamente. A través de estos estudios se puede llegar a manipular y descifrar sistemas muy complicados mediante analogías. Como, por ejemplo, la posibilidad mediante analogía de crear y analizar el análogo de un agujero negro en un condensado de Bose-Einstein. Los Agujeros Negros surgen de una manera natural dentro de la teoría de la relatividad general introducida por Einstein y el trabajo de Cirac y Garay ha establecido una conexión entre las dos aportaciones fundamentales de Albert Einstein que, en un principio, no parecían tener relación alguna.

Está claro que no es el objetivo de este comentario el de explicar aquí las implicaciones que los bosones y sus propiedades puedan tener en el futuro de la Física, sino que, se trata de sacar a la superficie la urgente necesidad que tenemos de que emerjan nuevas y más modernas teorías que, dejando a un lado las que ahora nutren nuestro saber, vengan a remozarlas, a modernizarlas y, sobre todo, que su alcance llegue a lugares a los que nunca llegarán las actuales teorías que, dicho sea de paso, han cumplido más que bien sus cometidos.

Estamos acostumbrados a que en Física, las teorías fundamentales, por ejemplo, la Relatividad, la Mecánica Cuántica o la Relatividad General, tengan algún principio rector a partir del cual la teoría se construye de una forma casi sistemática. En esos tres ejemplos, ese principio está a flor de piel. En 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 los resultados de la Dinámica y la Cinemática Relativistas. Es importante darse cuenta de que la razón por la que la relatividad se convierte en una verdadera teoría autónoma es precisamente porque eleva la constancia de la velocidad de la luz a principio rector, a postulado.

En la Mecánica Cuántica, el Prinxcipio rector es el Principio de Incertidumbre de Hesinberg. 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 en un espacio de Hilbert. Esto da lugar a fenómenos tan sorprendentes como el entrelazamiento cuántico o la estabilidad atómica.

En el caso de la Relatividad General el Principio Rector es el principio de equivalencia entre masa inercial y masa gravitatoria: en palabras del propio Einstein su ideaq más feliz. Observese que en todos estos casos el principio rector se identifica en el momento mismo del nacimiento de la teoría.

En la Teoría de Cuerdas la situación es completamente distinta. Desconocemos cuál sea el principio rector, si es que este existe, y es este desconocimiento el que genera nuestra perplejidad cuando se nos pide una respuesta simple a la pregunta ?qué es la Teoría de Cuerdas?

Lo dicho, estamos sumergidos en muchos estudios que serán muy importantes para nuestro futuro, y, sin embargo, no cristalizan esas nuevas teorías que se vislumbran en el Horizonte de la Física, y, que podría cambiar el panorama con una nueva revolución como aquellas de Einstein y Planck.

emilio silvera

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Para la XIX Edición

El Bosón de Higgs, según lo cuenta León Lederman

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.

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Capítulo 5

Unión Geodésica y Geofísica Internacional

Los estudios de la Tierra por medios físicos alcanzaron un notable desarrollo durante el siglo XIX y fue necesario la creación de organismos que centralizasen las diversas investigaciones, culminando con la constitución de la Unión Geodésica y Geofísica Internacional (U.G.G.I.) que es, sin lugar a dudas, la más desarrollada de las uniones científicas federadas en el Consejo Internacional de Uniones Científicas.

El deshielo glaciar es en numerosas zonas una de las principales fuentes de alimentación de las aguas corrientes superficiales.

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Para la XIX Edición del Carnaval de la Física

Existe en la Fisica, un principio que se denomina Navaja de Occan, que afirma que siempre deberíamos tomar el camino más sencillo posible e ignorar las alternativas más complicadas, y, especialmente las alternativas que no pueden medirse nunca.

Aquí, nos encontramos con un enorme problema, ya que, con esa máxima, ¿Qué hacen perdiendo el tiempo Witten y todos los demás físicos y matemáticos con la teoría de supercuerdas?

Aquí tenemos un ejemplo claro de un principio que, al menos para mí, sólo es válido en ciertos contextos, sino experimentamos y teorizamos en cuestiones que, “de momento”, no son demostrables nos quedaríamos anclados en el tiempo del saber.

El físicop Paul Davies se refirió una vez a ese tiempo futuro cuando se tenga conseguida la unificación de todas las fuerzas:

” Podremos cambiar la estructura del espacio y del tiempo, atar nuestros propios nudos en la nada, y dar orden a la materia. Controlar las superfuerzas nos permitirá crear y transmutar partículas a voluntad, generando así exóticas formas de materia. Quizá seamos capaces incluso de manipular la dimensionalidad del propio espacio, creando extraños mundos artificiales con propiedades inimaginables. Verdaderamente seremos los señores del Universo.”

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