Ciencia

Las ondas gravitacionales podrían revelar dimensiones ocultas en el Universo

Esas dimensiones extra deberían ser capaces de causar «ondulaciones» en nuestra realidad, modificándola imperceptiblemente.

Como todo el mundo sabe, vivimos en un Universo de cuatro dimensiones, tres de ellas espaciales y una temporal. Pero eso no quiere decir que sean las únicas que existen o, mejor dicho, las únicas posibles. Los físicos, en efecto, llevan ya décadas recurriendo a toda una serie de “dimensiones extra”, que resultan necesarias para explicar determinados fenómenos cuánticos, o que se manifestaron cuando las condiciones del Universo eran favorables, en los primeros instantes tras el Big Bang. Por desgracia nadie, nunca, ha encontrado aún evidencias experimentales de que alguna de esas dimensiones ocultas esté teniendo algún efecto en nuestra realidad.

Ahora, sin embargo, un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Postdam, ha propuesto una forma para “sacar a la luz” estas dimensiones extra. Y es que, según estos científicos, esas dimensiones deberían ser capaces de causar “ondulaciones” en nuestra realidad, modificándola imperceptiblemente a través de las ondas gravitacionales. O, dicho de otro modo, las ondas gravitacionales podrían contener la “firma” que pruebe la existencia de dimensiones ocultas. Descubrirlas allanaría el camino para resolver algunos de los mayores misterios del Universo.

Comparada con las demás fuerzas fundamentales de la Naturaleza la gravedad es extraordinariamente debil. Y los físicos llevan ya mucho tiempo preguntándose por qué. Una de las razones podría ser que la gravedad, de algún modo, se estuviera “filtrando” en dimensiones adicionales, es decir, más allá de las tres dimensiones espaciales que nosotros experimentamos.

De hecho, algunas de las teorías que trátan de unir gravedad y Mecánica Cuántica, como la teoría de cuerdas, requieren de dimensiones adicionales para funcionar, y exigen además que la gravedad sea capaz de propagarse a través de ellas. Como se sabe, de las cuatro fuerzas fundamentales, solo la gravedad se sigue resistiendo a ser “cuantificada”. Lo cual significa que no existe (o no se ha encontrado hasta ahora) una partícula subatómica que transporte la unidad mínima de gravedad. Las otras tres fuerzas (electromagnetismo y fuerzas nucleares fuerte y débil) tienen cada una una partícula asociada: Fotones, gluones y partículas W y Z. Y todas ellas han sido producidas con éxito en múltiples experimentos de laboratorio. Nadie, sin embargo, ha sido aún capaz de encontrar un “gravitón”.

Por eso, hallar pruebas de la existencia de tales dimensiones exóticas podría ser de gran utilidad para caracterizar la gravedad y encontrar una forma de unir esta esquiva fuerza a la Mecánica Cuántica. No es una tarea sencilla ya que, de existir, esas dimensiones tendrían en el Universo actual unos efectos realmente pequeños. De no ser así, sus consecuencias serían bien visibles en nuestra vida cotidiana.

Las principales bazas para hallar alguna de estas dimensiones ocultas están en los experimentos del LHC, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Pero hasta ahora no ha habido suerte y nadie ha sido capaz de ver siquiera un leve signo que revele una física que esté más allá de nuestras cuatro dimensiones.

Una nueva esperanza

 

 

 

 

En los últimos dos años, sin embargo, ha surgido una nueva esperanza: las ondas gravitacionales. Esas pequeñas ondulaciones en el tejido espaciotemporal del Universo, causadas por el movimiento de objetos muy masivos, se descubrieron por primera vez en 2015. Y dado que es muy probable que la gravedad sea capaz de extenderse a través de todas las dimensiones que existen, esas ondas se han convertido en una forma muy prometedora para detectar cualquier dimensión más allá de las que conocemos.

“Si hay dimensiones adicionales en el Universo -afirma Gustavo Lucena Gómez, autor principal del estudio- las ondas gravitacionales pueden propagarse a través de ellas”. Gómez y su colega David Andriot han calculado cómo esas potenciales dimensiones extra podrían estar afectando a las ondas gravitatorias que podemos observar. Y encontraron dos peculiares efectos que nos permitirían “cazarlas”: ondas extra en frecuencias muy altas, y una modificaciónen la forma en que las ondas gravitacionales estiran el espacio.

       También en la Teoría de Cuerdas se habla de dimensiones extra

De hecho, según los investigadores, a medida que las ondas gravitacionales se propagan a través de una dimensión extra, deberían generar una “torre” de ondas gravitatorias extra, con una frecuencia muy alta después de una distribución regular. Por desgracia, los actuales observatorios de ondas gravitacionales no son capaces de detectarlas en frecuencias tan altas como las requeridas, y también la siguiente generación de detectores está enfocada a frecuencias más bajas. Así que aunque estas ondas estén por todas partes, nos sería muy difícil encontrarlas.

El segundo efecto provocado por las dimensiones extra, sin ebargo, sería mucho más sencillo de ver, ya que modificaría las ondas gravitacionales “normales”, las que se detectan actualmente, sin necesidad de añadir señales extra. “Si hay dimensiones adicionales en nuestro Universo -explica Gómez- estirarían y encogerían el espaciotiempo de una forma diferente a como lo hacen las ondas gravitacionales estandar”.

A medida que una onda gravitacional atraviesa el Universo, estira y encoje el espacio de una forma muy específica. Sería como tirar de una banda de goma, que se haría más larga en una dirección y más corta en la otra, para volver a su forma original cuando la soltamos.

Sin embargo, las dimensiones adicionales del Universo harían que el espacio se estirara y se encogiera de forma diferente, algo que los investigadores han llamado “modo respiración”. Igual que los pulmones al respirar, el espacio se expandiría y se contraería a medida que las ondas gravitacionales pasan, además de estirarse y aplastarse como hacen normalmente.

“Con más detectores -afirma Gómez- seremos capaces de ver si este ´modo respiración´está sucediendo realmente”.

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Es una lástima que nuestro Sistema Solar esté alejado de otros sistemas similares por años luz que, nuestras técnicas actuales, no pueden alcanzar, y, seguramente, algunos de los planetas que están a menos de 20 años luz de distancia de nosotros, podría ser habitable.

Es cierto que en algunas de las lunas de Júpiter y de Saturno podría haber alguna clase de vida, y, probablemente en Marte también. Sin embargo, no son lugares ideales para que podamos instalarnos tan ricamente como en la Tierra.

Lo cierto es que, las probabilidades de la existencia de planetas habitables, sólo en nuestra Galaxia, la Vía Láctea, pueden pasar de los 40.000 millones (sí, has oído bien). Con esa inmensa cantidad de planetass iguales o parecidos a la Tierra… ¿Qué problema nos queda por solventar?

El problema que nos queda por solucionar es peliagudo: ¿Cómo vencer a la velocidad de la luz, no siendo más rápido que ella -algo imposible en nuestro Universo- sino que, tendremos que buscar la manera de burlarla? Precisamente por eso se habla de Agujeros de Gusano y otros ingenios que, abriendo huecos en el propio espacio-tiempo, nos lleve hasta galaxias lejanas en menos tiempo del que necesitaríamos en viajes convencionales.

Los precursores de la Ciencia Ficción, no pocas veces, nos abrieron e indicaron el camino a seguir para conseguir “imposibles” que sólo en la imaginación podían existir, y, sin embargo, muchos de ellos se hicieron realidad a medida que el Tiempo avanzaba y nuestras Mentes evolucionaban. Motores de curvatura y fuentes de energías ahora impensables, nos sacarán del callejón sin salida en el que nos encontramos.

Ahora pensar en viajar con pasajeros a Marte o a cualquiera de la lunas de Júpiter o Saturno… ¡Es sólo un sueño! Nuestros modelos de navegación espacial son inadecuados para asegurar la vida de los pasajeros, y, se necesitarían muchos adelantos de los que ahora carecemos para llevar a cabo misiones de ese calibre.

La radiación del espacio y la carencia de trajes seguros y navez que impidan la entrada de partículas nosivas en su interior, la gravedad artificial que simule la terrestre, los sistemas de generar alimentos, espacios suficientes para instalar clínicas, bibliotecas y colegios… En viajes Espaciales de ciertaq importancia, muchas cosas serían necesarias, no sólo para salvar la vida, sino también, para realizar un viaje largo disponiendo de todo aquello que podamos necesitar.

El día del mañana, hará posible lo que hoy no lo es, y, esas realidades futuras nos llevarán lejos, muy lejos entre las estrellas de donde venimos y a las que tenemos que volver. Ya sabéis, somos polvo de estrellas, sin ellas, no estaríamos aquí.

Si esta fuese la Vía Láctea, nosotros (el Sistema Solar), estaría situado en la periferia, en la parte interior del Brazo de Orión, a 27.000 años-luz del núcleo galáctico, y, sabiendo que la galaxia tiene 100.000 años luz de diámetro, podemos decir que estamos bastante alejados del Agujero Nefgro Gigante que mora allí en el centro mismo de la Galaxia. La suerte nos hizo venir a caer en una región relativamente tranquila dentro de la Vía Láctea, en otros lugares, las explosiones Supernovas, los Agujeros Negros, las explosiones Gamma y otros sucesos de inmensas energías nos darían muchos problemas.

                               Mover la barra espaciadora para contemplar la belleza de este mundoi

Claro que, la fascinación de otros mundos no deja de gritar a nuestras mentes… ¡Estamos aquí, os esperamos! Desde hace mucho tiempo soñamos que, visitaremos otros planetas yn haremos amistad con sus habitantes de los que, si las cosas salen bien, aprenderemos mucho y, por nuestra parete, también tendremos mucho que dar. El día que tal acontecimiento se produzca, será la noticia más importante jamás publicada, todos los medios hablarán de ello durante meses y, no digamos, si se puede presentar en TV a un personaje de otro mundo.

Por lo general, todos tenemos unas imágenes más o menos preconsevidas de seres de otros mundos y, cada cual, en su propia mente, escenifica a esos posibles “vecinos lejanos” con los que, alguna vez, nos podríamos encontrar, y, no siempre, se les atribuyen buenas intencionesd. Lo cierto es que, como pasa aquí mismo. Ahí fuera, habrá de todo.

Estos seres por ejemplo, son de otro planeta en el que impera distinta gravedad que en la Tierra, y, de ahí su conformación. Aquel planeta tendrá otras condiciones que hacen de los seres que lo habitan personajes muy diferentes a nosotros pero, en el fondo de todo… ¡Ellos y nosotros están/estamos hechos de lo mismo! Es decir, son vidas basadas en el Carbono.

Todos los seres de la Tierra, no importa a qué especie pueda pertenecer, tienen en el Carbono su base de vida, y, como el Universo es igual en todas sus regiones en las que imperan las mismas leyes fundamentales y las mismas constantes universales… ¡Todo lo demás que de todo eso pueda surgir, será lo mismo que aquí!

¿Vida en otros mundos? Sería un milagro que no las hubiera.

emilio silvera

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Una vez que se ha puesto orden entre las numerosas especies de partículas, se puede reconocer una pauta. Igual que Dimitri Ivanovich Mendeleev descubrió el sistema periódico de los elementos químicos en 1869, así también se hizo visible un sistema similar para las partículas. Esta pauta la encontraron independientemente el americano Murray Gell-Mann y el israelí Yuval Ne’eman. Ocho especies de mesones, todos con el mismo espín, u ocho especies de bariones, con el mismo espín, se podían reagrupar perfectamente en grupos que llamaremos multipletes. El esquema matemático correspondiente se llama SU(3). Grupletes de ocho elementos forman un octete “fundamental”. Por esta razón Gell-Mann llamó a esta teoría el “óctuplo camino”. Lo tomó prestado del budismo de acuerdo con el cual el camino hacia el nirvana es el camino óctuplo.

Pero las matemáticas SU(3) también admiten multipletes de diez miembros. Cuando se propuso este esquema se conocían nueve bariones con espín 3/2. Los esquemas SU(3) se obtienen al representar dos propiedades fundamentales de las partículas, la extrañeza S frente al isoespín I₃ , en una gráfica.

Imagen de trazas en la cámara de burbujas del primer evento observado incluyendo bariones Ω, en el Laboratorio Nacional Brookhaven.

De esta manera, Gell-Mann predijo un décimo barión, el omega-menos (Ω¯), y pudo estimar con bastante precisión su masa porque las masas de los otros nueve bariones variaban de una forma sistemática en el gráfico (también consiguió entender que las variaciones de la masa eran una consecuencia de una interacción simple). Sin embargo, estaba claro que la Ω¯, con una extrañeza S = -3, no tenía ninguna partícula en la que desintegrarse que no estuviera prohibida por las leyes de conservación de la interacción fuerte. De modo que, la Ω¯ sólo podía ser de tan sólo 10¯²³ segundos como los demás miembros del multiplete, sino que tenía que ser del orden de 10¯¹⁰ segundos. Consecuentemente, esta partícula debería viajar varios centímetros antes de desintegrarse y esto la haría fácilmente detectable. La Ω¯ fue encontrada en 1964 con exactamente las mismas propiedades que había predicho Gell-Mann.

Se identificaron estructuras multipletes para la mayoría de los demás bariones y mesones y Gell-Mann también consiguió explicarlas. Sugirió que los mesones, igual que los bariones, debían estar formados por elementos constitutivos “más fundamentales aún”. Gell-Mann trabajaba en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena (CalTech), donde conversaba a menudo con Richard Feynman. Eran ambos físicos famosos pero con personalidades muy diferentes. Gell-Mann, por ejemplo, es conocido como un entusiasta observador de Pájaros, familiarizado con las artes y la literatura y orgulloso de su conocimiento de lenguas extranjeras. Feynman fue un hombre hecho a sí mismo, un analista riguroso que se reía de cualquier cosa que le recordara la autoridad establecida.

Hay una anécdota que parece no ser cierta de hecho, pero que me parece tan buena que no puedo evitar el contarla; podía haber sucedido de esta forma. Gell-Mann le dijo a Feynman que tenía un problema, que estaba sugiriendo un nuevo tipo de ladrillos constitutivos de la materia y que no sabía qué nombre darles. Indudablemente debía haber de haber pensado en utilizar terminología latina o griega, como ha sido costumbre siempre en la nomenclatura científica. “Absurdo”, le dijo Feynman; “tú estás hablando de cosas en las que nunc ase había pensado antes. Todas esas preciosas pero anticuadas palabras están fuera de lugar. ¿Por qué no los llamas simplemente “shrumpfs”, “quacks” o algo así?”.

Cuando algún tiempo después le pregunté a Gell-Mann, éste negó que tal conversación hubiera tenido lugar. Pero la palabra elegida fue quark, y la explicación de Gell-Mann fue que la palabra venía de una frase de Fynnegan’s Wake de James Joyce; “¡Tres quarks para Muster Mark!”. Y, efectivamente así es. A esas partículas les gusta estar las tres juntas. Todos los bariones están formados por tres quarks, mientras que los mesones están formados por un quark y un antiquark.

Los propios quarks forman un grupo SU(3) aún más sencillo. Los llamaremos “arriba (u)”, “abajo” (d), y “extraño” (s). Las partículas “ordinarias” contienen solamente quarks u y d. Los hadrones “extraños” contienen uno o más quarks s (o antiquarks ŝ).

La composición de quarks de espín 3/2 se puede ver en la tabla 5. La razón por la que los bariones de espín ½ sólo forman un octete es más difícil de explicar. Está relacionada con el hecho de que en estos estados, al menos dos de los quarks tienen que ser diferentes unos de otros.

Realmente, la idea de que los hadrones estuvieran formados por ladrillos fundamentales sencillos había sido también sugerida por otros. George Zweig, también en el CalTech, en Pasadena, había tenido la misma idea. Él había llamado a los bloques constitutivos “ases!, pero es la palabra “quark” la que ha prevalecido. La razón por la que algunos nombres científicos tienen más éxito que otros es a veces difícil de comprender.

Pero en esta teoría había algunos aspectos raros. Aparentemente, los quarks (o ases) siempre existen en parejas o tríos y nunca se han visto solos. Los experimentadores habían intentado numerosas veces detectar un quark aislado en aparatos especialmente diseñados para ello, pero ninguno había tenido éxito.

Loa quarks –si se pudieran aislar- tendrían propiedades incluso más extrañas. Por ejemplo, ¿cuáles serían sus cargas eléctricas? Es razonable suponer que tanto los quarks u como los quarks s y d deban tener siempre la misma carga. La comparación de la tabla 5 con la tabla 2 sugiere claramente que los quarks d y s tienen carga eléctrica -1/3 y el quark u tiene carga +2/3. Pero nunca se han observado partículas que no tengan carga múltiplo de la del electrón o de la del protón. Si tales partículas existieran, sería posible detectarlas experimentalmente. Que esto haya sido imposible debe significar que las fuerzas que las mantienen unidas dentro del hadrón son necesariamente increíblemente eficientes.

Aunque con la llegada de los quarks se ha clarificado algo más la flora y la fauna de las partículas subatómicas, todavía forman un conjunto muy raro, aún cuando solamente unas pocas aparezcan en grandes cantidades en el universo (protones, neutrones, electrones y fotones). Como dijo una vez Sybren S. de Groot cuando estudiaba neutrinos, uno realmente se enamora de ellos. Mis estudiantes y yo amábamos esas partículas cuyo comportamiento era un gran misterio. Los leptones, por ser casi puntuales, son los más sencillos, y por tener espín se ven afectados por la interacción que actúa sobre ellos de forma muy complicada, pero la interacción débil estaba bastante bien documentada por entonces.

Los hadrones son mucho más misteriosos. Los procesos de choque entre ellos eran demasiado complicados para una teoría respetable. Si uno se los imagina como pequeñas esferas hachas de alguna clase de material, aún quedaba el problema de entender los quarks y encontrar la razón por la que se siguen resistiendo a los intentos de los experimentadores para aislarlos.

emilio silvera

Si queréis saber más sobre el tema, os recomiendo leer el libro Partículas de Gerard ´t Hooft

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