Me refiero al Modelo estándar y, algunos han llegado a creer que sólo faltan algunos detalles técnicos y, con ellos, la física teórica está acabada. Tenemos un modelo que engloba todo lo que desamos saber acerca de nuestro mundo físico. ¿Qué más podemos desear?

Bueno, lo que hasta el momento hemos logrado no está mal del todo pero, no llega, ni con mucho, a la perfección que la Naturaleza refleja y que, nosotros perseguimos sin llegar a poder agarrar sus múltiples entrecijos y parámetros que confroman ese todo en el que, sin niguna clase de excusas, todo debe encajar y, de momento, no es así.

Es cierto que, el Modelo estándar es casi (en algunos momentos), pero no permanentemente, perfecto. En primer lugar, podríamos empezar a quejarnos de las casi veinte constantes que no se pueden calcular. Pero si esta fuese la única queja, habría poco que hacer. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de estos números y se han propuesto varias teorías para “predecir” sus valores. El problema con todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca llegan a ser convincentes.

¿Por qué se iba a preocupar la Naturaleza de una fórmula mágica si en ausencia de tal fórmula no hubiera contradicciones? Lo que realmente necesitamos es algún principio fundamental nuevo, tal como el proncipio de la relatividad, pero nos resistimos a abandonar todos los demás principios que ya conocemos; ¡esos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del Modelo estándar! una herramienta que posibilitado a todos los físicos del mundo, construir sus trabajos en ese fascinante mundo de la mecánica cuántica, donde partículas infinitesimales interactúan con las fuerzas y podemos ver, como se comporta la materia en determinadas circunstancias. El mejor lugar para buscar nuevos principios es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría.

La regla universal en la física de partículas es que cuando las partículas chocan con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructurtas cada vez menores, más pequeñas en el espacio y en el tiempo. Supongamos por un momento que tenemos a nuestra disposición un Acelerador de Partículas 10.000 veces más potente que el LHC, donde las partículas pueden adquirir esas tantas veces más energías de las alcanzadas actualmente. Las colisiones que tendrían lugar nos dirían algo acerca de los detalles estructurales de esas partículas que ahora no conocemos, que serían mucho más pequeños que los que ahora podemos contemplar. En este punto se me ocurre la pregunta: ¿Seguiría siendo correcto el Modelo estándar? 0, por el contrario, a medida que nos alejemos en las profundidades de lo muy pequeño, también sus normas podrían variar al mismo tiempo que varían las dimensiones de los productos hallados. Recordad que, el mundo no funciopna de la misma manera ante lo grande que ante lo infinitesimal.

¿Podeis imaginar conseguir colisiones a 70.000 TeV? ¿Que podrías ver? Y, entonces, seguramente, las protestas de algunas de que “ese monstruo” podría abrir un agujero de gunsano en el esapcio tiempo…¡tendría algún fundamento! No sabemos lo que puede pasar si andamos con fuerzas que no podemos dominar.

Hoy, el Modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aín más pequeñas. Pero tenemos algunas razones para sospechar que tales predicciones resultan estar muy alejadas de la realidad, o, incluso, ser completamente falsas.

Encendamos nuestro supermicroscopio umaginario y enfoquemosló directamente en el centro de un protón o de cualquier otra partícula. Veremos hordas de partículas fundamentales desnudas pululando. Vistas a través del supermicroscopio, el modelo estándar que contiene veinte constantes naturales, describen las fuerzas que rigen la forma en que se mueven. Sin embargo, ahora esas fuerzas no sólo son bastante fuertes sino que también se cancelan entre ellas de una forma muy especial; están ajustadas para conspirar de tal manera que las partículas se comportan como partículas ordinarias cuando se vuelven a colocar el microscopio en la escala de ampliación ordinaria. Si en nuestras ecuaciones matemáticas cualquiera de estas constantes fueran reemplazadas por un número ligeramente diferente, la mayoría de las partículas obtendrían inmediatamente masas comparables a las gigantescas energías que son relevantes en el dominio de las muy altas energías. El hecho de que todas las partículas tengan masa que corresponden a energías mucho menores repentinamente llega a ser bastante poco natural.

¿Implica el ajuste fino un diseño con propósito? Hay tantos parámetros que deben tener un ajuste fino y el grado de ajuste fino es tan alto, que no parece posible ninguna otra conclusión.

Bueno, quizá en la imagen y el comentario que lleva abajo, me he podido pasar un poco. Lo que antes decía: “El hecho de que todas las partículas tengan masa que corresponden a energías mucho menores repentinamente llega a ser bastante poco natural”, es lo que se llama el “problema del ajuste fino”. Vistas a través del microscopio, las constantes de la Naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático, no hay nada que objetar, pero la credibilidad del Modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas o, lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas.

¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta ahí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables, e ellas podrían modificar completamente el mundo que Gulliver planeaba visitar. Si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste fino de las constantes de la Naturaleza, creamos un nuevo problema:

¿Cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste-fino no sea necesario? Está claro que las moficiaciones son necesarias , lo que implica que muy probablemente hay un límite más allá del cual ewl modelo deja de ser válido. El Modelo estándar no será más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, tal que todos los fenómenos observados hasta el presente están de acuerdo con él, pero cada vez que ponemos en marcha un aparato más poderoso, debemos esperar que sean necesarias nuevas modificaciones para ir ajustando el modelo, a la realidad que descubrimos.

¿Cómo hemos podido pensar de otra manera? ¿Cómo hemos tenido la “arrogancia” de pensar que podemos tener la teoría “definitiva”? Mirando las cosas de esta manera, nuestro problema ahora puede muy bien ser el opuesto al que plantea la pregunta de dónde acaba el modelo estándar: ¿cómo puede ser que el modelo estándar funcione tan extraordinariamente bien? y ¿por qué aún no hemos sido capaces de percibir nada parecido a otra generación de partículas y fuerzas que no encajen en el modelo estándar?

Asistentes escuchan la presentación de los resultados del experimento ATLAS, durante el seminario del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN) para presentar los resultados de los dos experimentos paralelos que buscan la prueba de la existencia de la “partícula de Higgs”, base del modelo estándar de física, hoy miércoles 4 de julio en Meyrin, Suiza.

La pregunta “¿Qué hay más allá del Modelo estándar”? ha estado facinando a los físicos durante años. Y, desde luego, todos sueñan con llegar a saber, qué es lo que realmente es lo que conforma el “mundo” de la materia, qué partículas, cuerdas o briznas vibrantes. En realidad, lo cierto es que, la Física que conocemos no tiene que ser, necesariamente, la verdadera física que conforma el mundo y, sí, la física que conforma “nuestro mundo”, es decir, el mundo al que hemos podido tener acceso hasta el momento y que, no necesariamente tiene que tratarse del mundo real.

O, como decía aquél: ¡Que mundo más hermoso, parece de verdad!

No todo lo que vemos es, necesariamente, un reflejo de la realidad de la Naturaleza que, puede tener escondidos más allá de nuestras percepciones, otros escenarios y otros objetos, a los que, por ahora, no hemos podido acceder, toda vez que, físicamente tenemos carencias, intelectualmente también, y, nuestros conocimientos avanzar despacio para conseguir, nuevas máquinas y tecnologías nuevas que nos posibiliten “ver” lo que ahora nos está “prohibido” y, para ello, como ocurre siempre, necesitamos energías de las que no disponemos.

Hay dos direcciones a lo largo de las cuales se podría extender el Modelo estándar, tal como lo conocemos actualmente, que básicamente se caraterizan así:

– Nuevas partículas raras y nuevas fuerzas extremadamente débiles, y

– nuevas partículas pesadas y nuevas estructuras a muy altas energías.

Podrían existir partículas muy difíciles de producir y de detectar y que, por esa razón, hayan pasado desapaercibidas hasta ahora.  La primera partícula adicional en la que podríamos  pensares un neutrino rotando a derecha. Recordaremos que si se toma el eje de rotación aparalelo a la dirección del movimiento los neutrinos sólo rotan a izquierdas pero, esa sería otra historia.

En un artículo editado en Ciencia Kanija, pude leer: “Los interferómetros atómicos tienen ahora la sensibilidad para observar nuevas fuerzas más allá del modelo estándar de la física de partículas. “Las nuevas fuerzas a corta distancia son una predicción frecuente de las teorías más allá del Modelo Estándar y la búsqueda de estas nuevas fuerzas es un canal prometedor para descubrir una nueva física”, dice Jay Wackerdel Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en California. La pregunta es cómo encontrarlas”

Los neutrinos siempre me han fascinado. Siempre se han manifestado como si tuvieran masa estrictamente nula. Parece como si se movieran exactamente con la velocidad de la luz. Pero hay un límite para la precisión de nuestras medidas. Si los neutrinos fueran muy ligeros, por ejemplo, una cienmillonésima parte de la masa del electrón, seríamos incapaces de detectar en el laboratorio la diferencia entre éstos y los neutrinos de masa estrictamente nula. Pero, para ello, el neutrino tendría que tener una componente de derechas.

En este punto, los astrónomos se unen a la discusión. No es la primera vez, ni será la última, que la astronomía nos proporciona información esencial en relación a las partículas elementales. Por ejemplo, debido a las interacciones de corriente neutra (las interacciones débiles originadas por un intercambio Zº), los neutrinos son un facto crucial en la explosión  supernova de una estrella. Ahora sabemos que debido a las interacciones por corriente neutra, pueden colisionar con las capas exteriores de la estrella y volarlas con una fuerza tremenda.

En realidad, los neutrinos nos tienen mucho que decir, todavía y, no lo sabemos todo acerca de ellos, sino que, al contrario, son muchos los datos y fenómenos que están y subyacen en ellos de los que no tenemos ni la menor idea que existan o se puedan producir. Nuestra ignorancia es grande, y, sin embargo, no nos arredra hablar y hablar de cuestiones que, la mayoría de las veces…ni comprendemos.

Aquí lo dejar´ñe por hoy, el tema es largo y de una fascinación que te puede llevar a lugares en los que no habías pensado al comenzar a escribir, lugares maravillosos donde reinan objetos exóticos y de fascinante porte que, por su pequeñez, pueden vivir en “mundos” muy diferentes al nuestro en los que, ocurren cosas que, nos llevan hacia el asombro y también, a ese mundo mágico de lo fascinante y maravilloso.

emilio silvera

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Curvas de potencial en un sistema de dos cuerpos (aquí el Sol y la Tierra), mostrando los cinco puntos de Lagrange. Las flechas indican pendientes alrededor de los puntos L –acercándose o alejándose de ellos. Contra la intuición, los puntos L₄ y L₅son máximos.

Los puntos de Lagrange, también denominados puntos L o puntos de libración, son las cinco posiciones en un sistema orbital donde un objeto pequeño, sólo afectado por la gravedad,  puede estar teóricamente estacionario respecto a dos objetos más grandes, como es el caso de un satélite artificial con respecto a la Tierra y la Luna.  Los puntos de Lagrange marcan las posiciones donde la atracción gravitatoria combinada de las dos masas grandes proporciona la fuerza centrípeta necesaria para rotar sincrónicamente con la menor de ellas. Son análogos a las órbitas geosincrónicas que permiten a un objeto estar en una posición «fija» en el espacio en lugar de en una órbita en que su posición relativa cambia continuamente. Una definición más precisa pero técnica es que los puntos de Lagrange son las soluciones estacionarias del problema de los tres cuerpos.

                    Diagrama del sistema Sol-Tierra, que muestra el punto L₂, más alejado que la órbita lunar.

El telescopio que vendrá a suplir al viejo Hubble. Un dato curioso sobre este telescopio es que no estará situado en la órbita terrestre, se situará en el punto de Lagranje L₂.  Los puntos de Lagrange son las posiciones donde la gravedad del Sol y la Tierra se equilibran, de manera que un objeto puede permanecer estable, sin salir despedido hacia el espacio profundo. El James Webb se ha situado en esta posición es para aislarlo de la contaminación que existe en la órbita terrestre.

El James Webb Space Telescope o JWST durante mucho tiempo ha sido promocionado como el reemplazo para el telescopio espacial Hubble. El telescopio está considerado como uno de los proyectos más ambiciosos de la ciencia espacial emprendido. A pesar del enorme desafío, el telescopio se está acercando a la terminación. El telescopio ha servido como un aula técnico sobre las complejidades involucrada con un proyecto tan complejo. También ha servido para desarrollar nuevas tecnologías que son utilizadas por los ciudadanos promedio en sus vidas cotidianas.

En nuestro Universo todo resulta ser el equilibrio de dos fuerzas contrapuestas que se igualan y se equilibran para alcanzar la estabilidad que es requerida para que todo exista en ese nivel de normalidad que hace de nuestro universo el que podemos observar y, los fenómenos que se producen, los cambios, siempre van encaminados a eso, a conseguir ese equilibrio que observamos.

Fuerzas positivas y negaticas hacen que el núcleo de los átomos sea estable y las galaxias están sujetas por la Gravedad que mantiene las estrellas juntas y que no dejan que la expansión las pueda deshacer. El el níucleo de los átomos están los protones cargados con fuerzas positivas que atraen el mismo número de electrones que orbitan a su alrededor, y, al estar cargados con fuerzas negativas que se equilibran con las de los protones, el átomo es muy estable.

Cuando hablamos de equilibrio lo estamos haciendo del estado en el que un sistema tiene su energía distribuida de la manera estadísticamente más probable, un estado del sistema en el que las fuerzas, influencia, reacciones, etc., se compensan las unas a las otras de manera que no se permiten cambios y prevalece la estabilidad.

                      Equilibrio estático en tres dimensiones

Un cuerpo se encuentra en equilibrio estático si las resultantes de todas las fuerzas y todos los pares que actúan en él son ambas cero; se si halla en reposo, estará ciertamente no acelerado. Un cuerpo de ese tipo en el reposo se encuentra en equilibrio estable si después de un ligero desplazamiento vuelve a su posición original. Existen diversas variantes que no merece la pena mencionar aquí para no hacer aburrido el trabajo.

También existe el equilibrio térmico y se dice que un cuerpo está en equilibrio térmico si no hay ningún intercambio de calor dentro de él o entre e´y sus alrededores. Un sistema se encuentra en equilibrio térmico cuando cuando una reacción y su inversa está teniendo lugar a la misma velocidad. Estos son ejemplos de equilibrios dinámicos, en los que la actividad en un sentido está compensada por la actividad en el sentido inverso. De nuevo el equilibrio o estabilidad creado por fuerzas contrapuestas.

La energía se equipara segín una teoría de propuesta por Ludwig Boltzmann y fundamentada teóricamente por James Clerk Maxwell, en virtud de la cual la energía de las moléculas de un gas en una muestra grande en equilibrio tçermico está dividida por igual entre todos los grados de libertad disponibles, siendo la energía media de cada grado de libertad kT/2, donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura termodinámica. La proposición no es en general cierta si los efectos cuánticos son importantes, pero frecuentemente es una buena aproximación.

El cuadro nos muestra una Ilustración de los distintos tipos de simetría en las formas orgánicas (Field Museum, Chicago).

Claro que si hablamos de simetrías, nos podríamos perder un un laberinto de clases y formas: esférica, cilíndrica, reflectiva, traslacional, helicoidal, de rotación, de ampliación, bilateral, radial… (muchas otras). Pero si nos referimos de manera simple a lo que es o entendemos por una simetria, nos estaremos refiriendo al conjunto de invariancias de un sistema.

Al aplicar una transformación de simetría sobre un sistema, el sistema queda inalterado. La simetría es estudiada matemáticamente usando teoría de grupos. Algunas de las simetrías son directamente físicas. Algunos ejemplos son las reflexiones y rotaciones de las moléculas y las transformaciones de las redes cristalinas.

Las dos fuerzas contrapuestas en los seres vivos inteligentes de nuestro mundo, está precisamente en nosotros mismos: El hombre y la Mujer, juntos, forman un sólo ente de equilibrio perfecto que nos lleva al más alto nivel de simetría y belleza, y, tal equilkibrio y conjunción, hace posible el milagro de la replicación.

“La Trampa de Antihidrógeno (ATRAP) es un pequeño experimento en el CERN cuyo objetivo es comparar la antimateria con la materia, en concreto, átomos de antihidrógeno (formados por un antiprotón y un positrón, o antielectrón) con átomos de hidrógeno (formados por un protón y un electrón). Acaban de publicar la medida más precisa del momento magnético del antiprotón, 2,792847356(23) veces el magnetón nuclear, que coincide con el del protón en al mentos cinco partes por millón (0,0005%), una nueva medida (directa) de la invarianza CPT” (Francis (th)E mule Science’s News).

Existen simetrías más generales y abstractas como la invariancia CPT y las simetrías asociadas a las teorías gauge (tendríamos que mirar en simetrías rotas y supersimetría para ampliar el concepto en su más amplio espectro y concepción de lo que la simetría es. En el Universo, las simetrías están por todas partes: Estrellas, mundos, galaxias…

emilio silvera

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Las teorías de Newton sobre el movimiento y la gravedad, con sus trescientos años de edad siguen proporcionando reglas que son maravillosamente precisas para entender y predecir la forma en que se mueven las cosas a velocidades muhco menores que la de la luz cuando la gravedad es muy débil. En los quince primeros años del siglo XX, Einstein dio con una teoría más profunda que podía tratar con el movimiento rápido y la gravedad intensa cuando la teoría de Newton fallaba. Pero, y esto es crucial, la teoría más ampliam y más profunda de Einstein se convierte en la de Newton cuando los movimientos son lentos y la Gravedad es débil.

                                    Teoría cuántica, o, ¿universos paralelos?

Pasó lo mismo con las teorías cuánticas revolucionarias que se descubrieron en el primer cuarto del siglo XX cuando todos los físicos siguieron el rast5ro dejado por la semilla dejada por Planck a la que llamó “cuanto” y se simnolizó con la letra h. Aquella nueva teoría ofrecía una descripción más completa que la de Newton del funcionamiento del mundo cuando sondeamos el dominio de lo muy pequeño. Sus predicciones sobre el micromundo no-newtoniano son tremendamente precisas.

Pero una vez más, cuando trabajan con objetos grandes se hacen cada vez más parecidas a la descripción newtoniana. Así es como el núcleo de verdad dentro de una teoría pasada puede permanecer como una parte restrictiva de una teoría nueva y mejor. No parece que vaya a haber más revoluciones cintíficas (que las habrá).

Si consideramos nuestro “almacen” de teorías, podemos ver las interrelaciones entre las viejas y las nuevas. Consioderemos nuestro caso, en el que la mecánica cuántica se convierte en la mecánica newroniana cuando h se aproxima a cero. Este límite corresponde a una situación en la que los aspectos ondulatorios cuánticos de las partículas se hacen despreciables. Por esto podemos confiar plenamente en que la tricentenaria teoría de Newton del movimiento y de la gravedad se enseñaran y se urtilizaran dentro de mil años con la misma eficacia que lo hacemos hoy. Cualquiera que resulte ser la Teoría de Todo final, tendrá una forma restrictiva que describa el movimiento a velocidades mucho menores que la de la luz y, entonces, ahí estará Newton y, de la misma manera, cuando esos movimientos sean cercanos a c, Einstein también se hará presernte. Es decir, en la futura teoría subyacen las ideas de Newton y de Einstein como cimientis de esa nueva teoría que vendrá.

Fotografía del Congreso en el Hotel Metropole. Sentados, de izquierda a derecha: W. Nernst, M. Brillouin, E. Solvay (mecenas), H. Lorentz, E. Warburg, J. Perrin, W. Wien, M. Curie y H. Poincaré. De pie, de izquierda a derecha: R. Goldschmidt, M. Planck, H. Rubens,A. Sommerfeld, F. Lindemann (secretario), M. de Broglie (secretario), M. Knudsen, F. Hasenöhrl, G. Hostelet, E. Herzen, J.H. Jeans, E. Rutherford, H. Kamerlingh Onnes, A. Einstein y P. Langevin. En esta situación llegó el histórico Congreso Solvay.

Se cuenta que en un descanso del aquel famoso Congreso Solvay, Einstein y Henri Poincaré se encontraron un momento sólos y, se entabló entre ellos, la conversación siguiente:

Einstein: Sabe usted, Henri, en un tiempo estudié matemáticas, pero lo dejé por la Física.

Poincaré: Oh, ¿de verdad Albert? ¿Y por qué?

Einstein: Porque aunque podía distinguir los enunciados verdaderos de los falsos, no podía distinguir que hechos eran importantes.

Poincaré: Eso es muy interesante, Albert, Porque originalmente yo estudié Física, pero la dejé por las matemáticas.

Einstein: ¿De verdad? ¿Por qué?

Poncaré: Porque no podía distinguir cuáles de los hechos importantes eran verdaderos.

Podeis sacar una conclusión.

       Donde esté presente la materia…, lo estará la Gravedad

Aquí la gravedad está presente y es la respondable de mantener unidos todos los objetos que en la imagen podemos contemplar, sus masas titan las unas de las otras y todo se mantiene unido. La fuerza de la gravedad tiene su mayor potencia, proximo al elemento que la origina, ya sea un atomo o un planeta, pero sus lineas de fuerza, aunque van disminuyendo con la distancia son infinitas, que no por debiles se deben despreciar. Lo que ocurre en el universo es que cualquier fuerza de gravedad mas fuerte, aparentemente anula las fuerzas debiles pero si el universo estuviera vacio de materia y de energia, dos átomos en ambos extremos del universo terminarian por atraerse. La fuerza de gravedad de un elemento viene determinado por el conjunto de atomos que lo forman comportandose como un solo elemento.

La principal sospechosa de variaciones minúsculas ha sido siempre la constante Gravitatoria, G. La Gravedad es con mucho la fuerza la fuerza más débil de la Naturaleza y la menos estrechamente sondeada por el experimento. Si se buscan los valores conocidos de las constantes principales en la contraportada de un libro de texto de Física podemos descubrir que G aparece especificada con muchas menos cifras decimales que c, h, o e. Aunque G a soportado asaltos a su constancia durante mucho tiempo, los ataques más rcientes han sido lanzados sobre α (alfa), la constante de estructura fina de la que hablamos ayer. está ahora de mucha actualidad debido a unos experimentos que se han hecho observando y midiendo la luz de unos quásares lejanos. Y, como ayer os decía, la constante de estructura fina liga la velocidad de la luz, la constante de Planck y la carga del electrón. Y, todo ello hace que, si varía en una pequerña proporción, el Universo cambiaría.

¿Quién será el que resuelve este misterio?

emilio silvera

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