« Sí, ¡tenemos que saber y sabremos!

Las Galaxias y…¡La Vida! »

Hasta hace muy pocos años la Gravitación y la Mecánica Cuántica eran dos campos de la Física Teórica que utilizaban metodologías muy distintas y que estaban prácticamente desconectados entre sí. Por una parte, la interacción gravitatoria está descrita por la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que es una teoría clásica (es decir, no cuántica) en la que la Gravedad se representa como una propiedad geométrica del espacio y del tiempo. Por otro lado, gobierna el mundo de las partículas atómicas y subatómicas. Su generalización relativista (la Teoría Cuántica de Campos) incorpora los principios de la Teoría Especial Relativista y, junto con el principio gauge, ha permitido construir con extraordinario éxito el llamado Modelo Estándar de la Física de las Partículas Elementales.

Con sus 20 parámetros aleatorios (parece que uno de ellos ha sido hallado -el bosón de Higgs-), el Modelo estándar de la física de partículas que incluye … sólo tres de las cuatro fuarzas fundamentales. La Gravedad se niega a juntarse con las otras fuerzas.

La interacción electromagnética, por ejemplo, es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

            El electromagnetismo está presente por todo el Universo

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y, como ya se dijo antes, aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10^-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por el intercambio de mesones virtuales llamados Gluones. Está descrita por una teoría gauge llamada Cromodinámica cuántica.

Las teorías gauge explican satisfactoriamente la dinámica de las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles en un gran rango de distancias. Sin embargo, a pesar que la Teoría General de la Relatividad puede formularse como una teoría gauge, todos los intentos de introducir en ella de manera completamente satisfactoria los principios de la Mecánica Cuántica, han fracasado. No obstante, los desarrollos realizados en el marco de la Teoría de Cuerdas en los últimos años han dado lugar a una convergencia, al menos metodológica, entre estos dos campos de la Física Fundamental.

                        Lo cierto es que buscamos incansables para saber de qué está hecho el “mundo”

La piedra angular de esta inesperada conexión es la llamada correspondencia gravedad/teoría gauge. En su forma más genérica dicha correspondencia afirma que la dinámica de ciertas teorías cuánticas de campos sin gravedad puede ser descrita por medio de una teoría gravitatoria en un espacio-tiempo que contiene al menos una dimensión adicional.

Para poder comprender con claridad los orígenes y las consecuencias de tan sorprendente relación entre teorías tan diferentes, es interesante recordar como fue descubierta en el contexto de la Teoría de Cuerdas. la Teoría de cuerdas tiene su origen en los años 60-70 como un intento de describir los hadrones(partículas elementales que experimentan interacción fuerte) como estados de una cuerda en movimiento.

                ¡Teoría de cuerdas! (¿)

La longitud de la cuerda se puede identificar con el tamaño del hadrón y sería del orden del fermi (10^-15metros). Sin embargo, al analizar en detalle el espectro de modos de vibración de las cuerdas cerradas se descubrió que estas contienen una partícula de espín 2 y masa nula…(¿el gravitón?) que no se corresponde con ningún hadrón y que, en cambio, se identifica de manera natural con el gravitón (el cuanto fundamental de la interacción gravitatoria). De esta forma la Teoría de Cuerdas pasó de ser considerada una teoría de las interacciones fuertes a ser una posible teoría de unificación de las cuatro interacciones fundamentales de la Naturaleza a una escala mucho más pequeña: La longitud de Planck(10^-35 metros).

La longitud de Planck se define como:

donde c es la velocidad de la luz en el vacío, G es la constante de gravitación universal, y  es la Constante de Planck racionalizada o reducida.

Una consecuencia sorprendente del estudio cuántico de la cuerda es que ésta debe propagarse en un espacio-tiempo de diez dimensiones. La métrica de dicho espacio-tiempo está también fuertemente constreñida. De hecho, la consistencia mecano-cuántica del movimiento de la cuerda en un espacio curvo impone que la métrica de este debe satisfacer unas ecuaciones que,  en el límite en el que la longitud de la cuerda se considera muy pequeña, se reducen a las ecuaciones de Einstein de la relatividad general. Así pues, las ecuaciones fundamentales de la gravedad clásica en diez dimensiones se puede obtener de la dinámica cuántica de la cuerda.

En los años noventa se descubrió que el espectro de la Teoría de Cuerdas contiene, además de los modos de vibración asociados a las diferentes partículas, otros estados que están extendidos a lo largo de varias dimensiones espacio-temporales. Dichos espacios se denominan Branas y son paredes de dominio en el espacio-tiempo diez-dimensional que corresponden a estados no-perturbativos de la Teoría de Cuerdqas similares a los solitones de las teorías cuánticas de campo. En particular, las denominadas Dp-Branas son objetos que pueden estar extendidos a lo largo de p dimensiones espaciales y una temporal para 0 ≤ p ≤ 9. Uno puede imaginárselas como hiperplanos (p+1)-dimensionales. En particular la D3-Branas están extendidas a lo largo de cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal).

 

Claro, todo es pura conjetura (hasta que no sea verificado de forma experimental). Increíblemente el mundo de las branas es tan colosalmente extraño como lo es el infinitecimal mundo de las partículas cuánticas, con la salvedad de que, al tratar de objetos aún más pequeños, es decir aquellos que posiblemente existan más allá de los Quarks, la fascinación sube de tono al toparnos con un universo de cosas “imposibles”, bueno, mejor alejado de lo que nos dice el sentido común que (está visto),  no es el mejor de los sentidos.

Las D-branas aparecen en muchas discusiones modernas relacionadas con las cuerdas (por ejemplo, en la entropía de los agujeros negros). Suelen tratarse como si fueran objetos clásicos que yacen dentro del espacio-tiempo completo 1 + 9 (o 1 + 10) dimensiones. La “D” viene de “Dirichlet”, por analogía con el tipo de problema de valor de frontera conocido como un problema de Dirichlet, en el que hay una frontera de género tiempo sobre la que se especifican datos (según Peter G. Lejeune Dirichlet, un eminente matemático francés que vivió entre 1.805 y 1.859).

                     No resulta fácil para nosotros imaginar el Mundo Brana

Las D-Branas son objetos dinámicos que pueden moverse, deformarse y cambiar de estado interno. Una de sus características fundamentales es que este último está caracterizado por un campo gauge que viv3e en su interior. Así podremos decir que las D-Branas albergan teorías de gauge en su seno. Esta es una realización novedosa de la simwetría gauge que está en la base de la correspondencia gravedad/teoría gauge. Además, dado que la Teoría de Cuerdas es una teoría gravitatoria, cualquier objeto masivo (y en particular las D-Branas) tiene asociado una métrica que describe la distorsión gravitatoria del espacio-tiempo en torno a él. En el caso de las D-Branas estas métricas son fáciles de encontrar y son similares a la clásica solución de Schwazschild de la relatividad general. En 1997 el joven físico argentino Juan Maldacena sugirió  utilizar esta solución de gravedad para describir la teoría gauge que vive en las D-Branas.

¿Podría ser nuestro universo una membrana flotando en un espacio de más dimensiones, que se rompe muchas veces en un universo circundante? Según una rama de la teoría de las cuerdas llamada braneword, hay una gran cantidad de dimensiones extra de espacio, y aunque la gravedad puede llegar a salir, nosotros estamos confinados a nuestro propio universo “brana”, con sólo tres dimensiones. Neil Turok, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, y Paul Steinhardt, de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, EE.UU., han trabajado en cómo el Big Bang se podría haber provocado cuando nuestro universo se enfrentó violentamente con otro. Se repite el enfrentamiento, produciendo un nuevo Big Bang de vez en cuando, por lo que si el modelo del universo cíclico es correcto, el cosmos puede ser inmortal. ¡Por imaginar que no quede!

Sólo vamos a ser conscientes de dimensiones extra allí donde inciden directamente sobre las D-brana en la que “vivimos”. Más que una imagen de tipo “espacio cociente” que evoca la analogía de Kaluza-Kleinoriginal: El gráfico representa un modelo de manguera de un espacio-tiempo de dimensiones más altas de tipo Kaluza-Klein, donde la longitud, o mejor, la dimensión a lo largo de la longitud de la manguera representa el 4-espacio-tiempo normal, y la dimensión alrededor de la manguera representa la dimensión extra “pequeñas” (quizá escala de Planck). Imaginemos un “ser” que habite en este mundo, que rebasa estas dimensiones extra “pequeñas”, y por ello no es realmente consciente de ellas.

En la propuesta de Maldacena de las dos descripciones (gauge y gravitatoria) son duales y complementarias entre sí. En principio nos puede parecer confusa la afirmación de que la gravedad juega un papel relevante en la física de la teoría gauge. En los cursos de física nosm enseñan que la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas, y que, por lo tanto, su efecto es despreciable salvo a distancias realmente pequeñas o masas realmente grandes. Para resolver esta paradoja hay que tener en cuenta que la gravedad de la que estamos hablando no es la de nuestro universo aproximadamente plano y (posiblemente) con una pequeña constante cosmológica positiva, sino que se trata de una teorìa auxiliar en más de cuatro dimensiones y con constante cosmológica negativa.

Para seguir explicando el tema, mucho tendríamos que escribir. Sin embargo, quede aquí esta entrada que, al menos, puede despertar alguna curiosidad en los lectores que, aconsejados por lo leido, busquen más sobre el tema que, sin duda alguna, llega a ser fascinante.

Fuente: Muchos de los párrafos aquí insertos, han sido transcritos de un trabajo de Alfon V Ramallo del Departamento de Física de Partículas de la Universidad de Santiago de Compostela.

PD.

Aclaración: Cuando mencionamos una teoría gauge, lo estamos haciendo de cualquiera de las teorías cuánticas de campos creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y los potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang-Mills. esta diferencia explñica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil, que es la teoría unificada de las interacciones débiles y las electromagnéticas. En el caso de la Gravedad Cuántica, el Grupo Gauge es mucho más complicado que los grupos gauge tanto de las interacciones fuertes como de las débiles.

¡La Física! ¡Qué complejidad!

emilio silvera

Un remanente estelar es lo que queda cuando explosiona como Supernova una estrella masiva y, sus filamentos de plasma, forman imágenes imprevisibles que están conformadas por todos los elementos de la Tabla Periódica.

Sí, hay cosas malas y buenas  pero, todas deben ser conocidas para poder, en el primer caso aprovecharlas y en el segundo prevenirlas.

Pero demos un salto en el tiempo y viajemos hasta los albores del siglo XX cuando se hacía cada vez más ervidente que alguna clase de energía atómica era responsable de la potencia del Sol y del resto de las estrellas que más lejos, brillaban en la noche oscura. Ya en 1898, sólo dos años despuès del descubrimiento de la radiactividad por Becquerel, el geólogo americano Thomas Chrowder Chamberlin especulaba que los átomos eran “complejas organizaciones y centros de enormes energías”, y que “las extraordinarias condiciones que hay en el centro del Sol pueden…liberar una parte de su energía”. Claro que, por aquel entonces, nadie sabía cual era el mecanismo y cómo podía operar, hasta que no llegamos a saber mucho más, sobre los átomos y las estrellas.

Y seguimos avanzando e ideando la manera de poder conquistar el Espacio “infinito” y, para ello, ideamos sofisticados aparatos y máquinas que, por nosotros, hagan los trabajos que nos están prohíbidos por la fragilidad de nuestros cuerpos.

                                           Lo importante es saber que líneas no debemos sobrepasar

Lo cierto es que la curiosidad del Ser Humano fue siempre la impulsora de que pudiéramos ir avanzando en el saber del mundo, de la Naturaleza, del Universo mismo. Siempre hemos buscado el cómo el cuando y el por qué de las cosas que podíanmos observar a nuestro alrededor sin comprenderlas. Ya desde los tiempos primitivos, nuestros ancestros, de alguna manera rústica, hicieron y dieron los primeros pasos en Ciencia, cuando llegaron a manejar el fuego o construyeron la rueda.

Cuando nos ponemos a hablar de Ciencia en relación a su historia y los orígenes de la misma, la mayoría de las veces nos perdemos por vericuetos que nos llevan hasta callejones sin salida situados muy lejos en el tiempo y que no podemos ver con claridad. Así las cosas, nos vemos obligados a ser menos ambiciosos y mirar más cerca poder obtener algunos resultados más fiables de lo que pudo pasar en esos pueblos del mundo que, como Sumer, India, Egipto, China y más tarde Grecia, nos dejaron una buena colección de señales del saber que pudieron llegar hasta nuestros días. De todo eso hemos hablado aquí en diversos  trabajos presentados.

 

 

 El Mundo que nos rodea

 El Universo y la Vida

 

 

 

Estamos inmersos en una inconmensurable grandeza de variedad y coloridos escenarios en los que están presentes las fuerzas fundamentales del universo y las constantes que hacen posible que, formas de vida de cualquier índole que podamos imaginar, estarán pululando en sus ecosistemas y habitats, sin que nada pueda evitarlo, si lo pensamos bien, amigos míos, parece como si el universo hubiera sabido que nosotros, teníamos que venir.

             Hemos sabido llegar a los dos extremos desde lo pequeño a lo grande

Hemos podido llegar a unas alturas en el mundo de la exploración científica que, nos posibilita reconocer los impactos de los cambios que se producen con el devenir del tiempo en la Naturaleza y, hemos llegado a comprender que, el Universo, es dinámico. Hacia finales del siglo XIX se había llegado a saber que hubo un tiempo en que la Tierra y nuestro Sistema solar no existían; que la especie humana debía haber cambiado en apariencia y en el promedio de su capacidad mental a lo largo de enormes períodos de tiempo; y que en cierto sentido, amplio y general, el Universo debería estar degradándose, haciéndose un lugar  hospitalario y ordenado. Durante el siglo XX hemos podido ampliar esa imagen de un Universo cambiante.

Delante de nuestros propios ojos podemos contemplar  cambia, por ejemplo, el clima y la topografía de nuestro propio planeta y de todas las especies que en él están presentes en sus distintas formas de vida que, como muestra cercana de lo que ocurre en cualquier otro lugar del Universo, nos sirve de Laboratorio para la observación de la dinámica universal.

Hemos descubierto que todo el Universo de estrellas y galaxias está en un continuo estado de cambio dinámico, en el que grandes cúmulos de galaxias se alejan  de otros hacia un futuro que será distinto del presente. Hemos empezado a darnos cuenta de que vivímos en un “Tiempo” prestado. Los sucesos astronómicos catastróficos son comunes; los mundos colisionan. El planeta Tierra ha sufrido en el pasado impactos de cometas y asteroides. Un día se acabará nuestra suerte; el escudo que tan fortuitamente nos proporciona el enorme planeta Júpiter (leer la noticia de más abajo), que guarda los confines exteriores de nuestro Sistema solar, no será capaz de salvarnos.

 

Todos sabemos de las inmensas consecuencias que el impacto de un gran objeto sobre la Tierra tendría. Los cráteres que jalonan la superficie terrestre por todo el planeta nos hablan de lo que pasó en el pasado y,  eso, amigos míos, no tenemos muchas soluciones. Claro que todo es cuestión de tiempo y, al final, hasta nuestro Sol morirá para convertirse, primero en una gigante roja que sobrepasará Mercurio y Venus y se quedará muy cerca de nuestro planeta, para entonces, las temperaturas subirán y los océanos se evaporarán, la vida, tal como la conocemos, ya no estará en este vergel que, durante miles de años, nos ha dado cobijo a nosotros y a otros muchos seres.

Sí, las consecuencias del Caos son impredecibles. Nosotros hemos reconocido los secretos simples del caos y la impredecibilidad que asedian a tantas partes que rodean a nuestro mundo. Sí, es cierto que entendemos que nuestro clima es cambiante pero, no podemos predecir esos cambios. Hemos apreciado las similitudes entre complejidades como ésta y las que emergen de los sistemas de interacción humana -sociedades, economías, ecosistemas…- y, , del interior de la propia mente humana.

Todas esas complejidades tratan de convencernos de que el mundo es como una montaña rusa desbocada, rodando y dando bandazos; que todo lo que una vez hemos tenido por cierto podría ser derrocado cualquier día, sin que nosotros, pobres mortales, podamos evitarlo y, algunos, incluso ven semejante perspectiva como una razón  sospechar de la ciencia, como si produjera un efecto corrosivo sobre los fundamentos de la Naturaleza humana y de la certeza, como si las construcciones del Universo físico y el vasto esquema de sus leyes debiera haberse establecido pensando en nuestra fragilidad psicológica.

 

La ilusión de realidad la hemos experimentado todos en los sueños. Sin embargo, también estando despiertos estamos “viendo” una “realidad” que no existe, sólo está en nuestras mentes.

Pero hay un sentido en el que todo  cambio e impredecibilidad es una ilusión. No constituye toda la historia sobre la Naturaleza del Universo. Hay tanto un lado conservador como un lado progresista en la estructura profunda de la realidad. A pesar del cambio incesante y la dinámica del mundo visible, existen aspectos de la fábrica del Universo que son misteriosos en su inquebrantable constancia. Son estas misteriosas cosas invariables las que hacen de nuestro Universo el que es y lo distinguen de otros mundos que pudiéramos imaginar.

Lo mismo que existen los hilos invisibles que mantiene unidas a las galaxias, de la misma manera, hay un hilo dorado que teje una continuidad a través de la Naturaleza. Nos llevan a esperar que ciertas cosas sean iguales en otros lugares del espacio además de la Tierra; que fueron y serán las mismas en otros tiempos además de hoy; que  algunos casos, ni la historia ni la geografía importan y, son como leyes inamovibles, no hechas por el hombre que, según hemos podido llegar a saber, están por encima de todas esas cuestiones terrenales en las que el hombre ha intervenido de una u otra manera. De hecho, quizá sin uns substrato semejante de realidades invariables no podría haber corrientes superficiales de cambio ni ninguna complejidad de materia y mente.

Los secretos más ocultos del Universo están codificados en unos valores numéricos, aparentemente eternos, a los que llamamos “constantes de la naturaleza”.  ellas se encuentran algunas tan famosas como la de la gravitación universal, G, la de la velocidad de la luz, c, o la de Planck, h. Pero, ¿son las “constantes de la naturaleza” realmente constantes? ¿Son las mismas en todas partes? ¿Están todas ellas ligadas? ¿Podría haber evolucionado y persistido la vida si fueran ligeramente distintas? Claro que, estos enigmas nos conducen hasta las fronteras más ignoradas de la ciencia, nos desvela las profundas implicaciones que estas constantes tienen para el destino del universo y el lugar de los hombres en él y, aunque conocemos sus valores, sus números, no podemos dar una explicación de por qué resultan ser esos.

Sí, confinados en un hermoso planeta desde el que, mediante el ingenio y la imaginación, tratamos de escapar para saber, lo que existe fuera de nuestro entorno, en regiones remotas del Universo a las que no podemos llegar. Sin embargo, no perdemos la esperanza de que, algún día…

Y, mientras tanto, nosotros los humanos, una especie que ha logrado la consciencia de SER, estamos aquí confinados en este hermoso planeta que llamamos Tierra y,  ella, tratamos de desvelar esos misterios y otros muchos llenos de secretos que en la Naturaleza subyacen para que los podamos desvelar. Parece mentira que en un planeta ígneo, incandescente, podemos ver ahora nuestro hermoso planeta que desde hace cuatro mil millones de años acoge la Vida. “Su clima y su topografía varían continuamente, como las especies que viven en él. Y lo que es más espectacular,  hemos descubierto que todo el universo de estrellas y galaxias está en un estado de cambio dinámico, en el que grandes cúmulos de galaxias se alejan de otros hacia un futuro que será muy diferente del presente. Ahora sabemos que, vivímos en un tiempo prestado.”

El mundo que nos rodea es así porque está conformado por esas constantes de la Naturaleza que hacen que las coaas sean como las podemos observar. Le dan al universo su carácter distintivo y lo hace singular, distinto a otros que podría nuestra imaginación inventar. Estos números misteriosos, a la vez que dejan al descubierto nuestros conocimientos, también dejan al desnudo nuestra enorme ignorancia sobre el universo que nos acoge. Las medimos con una precisión cada vez mayor y modelamos nuestros patrones fundamentales de masa y tiempo alrededor de su invarianza; no podemos explicar sus valores.

Nunca nadie ha explicado el valor numérico de ninguna de las constantes de la Naturaleza. ¿Recordáis el 137? Ese  puro, adimensional, que guarda los secretos del electrón (e), de la luz (c) y del cuanto de acción (h). Hemos descubierto otros nuevos, hemos relacionado los viejos y hemos entendido su papel crucial para hacer que las cosas sean como son,  la razón de sus valores sigue siendo un secreto profundamente escondido.

Las estrellas del cúmulo abierto NGC 290 centellean con un incomparable despliegue de brillos y colores, como piedras preciosas en un joyero. Los vientos estelares y la radiación inunda una gran región de años luz de diámetro

Y, a pesar de todo esto, el Universo, sigue siendo dinámico y cambiante de tal manera que no deja de evolucionar y, estrellas que hoy podemos ver brillando en el cielo, “mañana” habrán desaparecido siempre dando lugar a otros objetos y otras conformaciones pero, ni la masa ni la energía, habrán cambiado en el Universo.

Pero, y nosotros…¿habremos cambiado?, o, quizá como esas estrellas, tampoco estaremos aquí para  el Universo alcance esa fase final del frío absoluto en la que nada, ni el tiempo ni el espacio se podrá mover y, si eso llega… ¡dónde estarán los pensamientos de tántos?

emilio silvera

Hallan los fragmentos mejor conservados del mundo del asteroide que acabó con los dinosaurios

 

El asteroide que acabó con los dinosaurios sumió a la Tierra en la oscuridad durante dos años