Las cosas del Universo que tratamos de comprender

Tenemos que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro universo: los agujeros negros. Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contra), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

Las ondas gravitacionales ya han hablado y se han dejado capturar por LIGO pero, ¿que pasa con el esquivo gravitón? Acaso la fuerza de Gravedad es la única que no tiene su Bosón mensajero?

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce una ondulación en la curvatura del espacio-tiempo que viaja a la velocidad de la luz transportada por los “gravitones”.

Si nos adentramos con un microscopio electrónico de barrido hasta lo más profundo de la materia, allí encontramos un mundo extraño, nos topamos con escenarios que nuestro sentido común rechazaría.

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transportan de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del universo. Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler, = 1’62 × 10^-33 cm, es la escala de longitud por debajo de la cual es espacio, tal como lo conocemos, deja de existir y se convierte en espuma cuántica. El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler, o aproximadamente 10^-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2’61 × 10^-66 cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

Experimentos en el LHC que nos muestran la materia en su mínimo exponente (hasta el momento), se espera que cuando funcione a 100 TeV, quizás podamos llegar hasta las cuerdas vibrantes de esa misteriosa teoría.

Experimento sobre fluctuaciones del vacío Crédito: Adaptado de C. RIEK ET AL., SCIENCE (2015)

“Gracias al principio de incertidumbre, el vacío bulle con pares de partículas-antipartículas que aparecen y desaparecen. Incluyen, entre muchos otros, los pares electrón-positrón y pares de fotones, que son sus propias antipartículas. Normalmente, esas partículas “virtuales” no pueden captarse directamente. Pero, como un fantasmal coro griego, ejercen sutiles influencias sobre el mundo “real”.”

        Diagrama de Feynman

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío; esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven.

En física, cuando hablamos de vacío, no nos referimos al del abismo. Es la ausencia de material, y, dicho vacío no existe, ni en el laboratorio lo hemos podido conseguir. En el espacio Interestelar

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas. En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor infinita. En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10^-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10^-2 – 10^-7 pascales. Por debajo de 10^-7 pascales se conoce como un vacío ultraalto. No puedo dejar de referirme al vacío theta (vacío θ), que es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs). En el vacío theta hay un número infinito de estados degenerados con efecto túnel entre estos estados. Esto significa que el vacío theta es análogo a una función de Bloch* en un cristal. Cuando hay un fermión sin masa, el efecto túnel entre estados queda completamente suprimido. Cuando hay campos fermiónicos con masa pequeña, el efecto túnel es mucho menor que para campos gauge puros, pero no está completamente suprimido. El vacío theta es el punto de partida para comprender el estado de vacío de las teoría gauge fuertemente interaccionantes, como la cromodinámica cuántica.

                                              Ese otro “mundo” desconocido de las fluctuaciones de vacío

En astronomía, el vacío está referido a regiones del espacio con menos contenido de galaxias que el promedio, o ninguna galaxia. También solemos llamarlo vacío cósmico. Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del universo en escalas de hasta 200 millones de años luz en exploraciones a gran escala. Estas regiones son, a menudo (aunque no siempre), esféricas.

El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de años luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no sorprende a la comunidad de astrónomos y cosmólogos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes. Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que está demasiado lleno, hasta el punto de que su contenido nos manda mensajes que, aunque hemos captado, no sabemos descifrar. Cuando esté totalmente preparado para ello, os lo contaré; el mensaje permanece escondido fuera de nuestra vista.

La física cuántica tiene una cualidad espectral que destruye toda lógica. Una de sus más extrañas predicciones, que el vacío en realidad contiene una serie de partículas virtuales que entran y salen de la existencia, parece haber sido confirmada por un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gotenburgo. De forma cuasidivina, este equipo ha logrado crear luz del vacío usando espejos en movimiento.

La física cuántica sostiene que existen estas partículas virtuales que desaparecen y reaparecen en la espuma cuántica, pero que pueden tener efectos tangibles. Por ejemplo: si dos espejos son colocados extremadamente cerca, los tipos de partículas virtuales, o fotones, que pueden existir entre ellos pueden estar limitados. Este límite significa que más fotones virtuales existen afuera de los espejos que entre ellos, creando una fuerza que junta las placas. Esto es lo que se conoce como ‘la fuerza de Casimir’, la cual en casos así es suficientemente fuerte para ser medida.

Sabemos referirnos al producto o cociente de las unidades físicas básicas, elevadas a las potencias adecuadas, en una cantidad física derivada. Las cantidades físicas básicas de un sistema mecánico son habitualmente la masa (m), la longitud (l) y el tiempo (t). Utilizando estas dimensiones, la velocidad, que es una unidad física derivada, tendrá dimensiones l/t, y la aceleración tendrá dimensiones l/t². Como la fuerza es el producto de una masa por una aceleración, la fuerza tiene dimensiones mlt^-2. En electricidad, en unidades SI, la corriente, I, puede ser considerada como dimensionalmente independiente, y las dimensiones de las demás unidades eléctricas se pueden calcular a partir de las relaciones estándar. La carga, por ejemplo, se puede definir como el producto de la corriente por el tiempo; por tanto, tiene dimensión It. La diferencia de potencia está dad por la relación P = VI, donde P es la potencia. Como la potencia es la fuerza por la distancia entre el tiempo (mlt^-2 × l × t^-1 = ml²t^-3), el voltaje V está dado por V = ml²t^-3I^-1. Así queda expresado lo que en física se entiende por dimensiones, referido al producto o cociente de las cantidades físicas básicas.

En la mecánica clásica la cantidad de acción, producto de energía por tiempo, puede expresarse de forma continua desde cero hasta infinito, pero la revolución que supuso el descubrimiento del llamado cuanto de acción fue, precisamente, que esta cantidad física sólo podía existir de forma estable en múltiplos enteros de esa mínima cantidad llamada h, o cuanto mínimo de acción de Planck .

Las consecuencias de la existencia del cuanto mínimo de acción fueron revolucionarios para la comprensión del vacío. Mientras la continuidad de la acción clásica suponía un vacío plano, estable y “realmente” vacío, la discontinuidad que supone el cuanto nos dibuja un vacío inestable, en continuo cambio y muy lejos de poder ser considerado plano en las distancias atómicas y menores. El vacío cuántico es de todo menos vacío, en él la energía nunca puede quedar estabilizada en valor cero, está fluctuando sobre ese valor, continuamente se están creando y aniquilando todo tipo de partículas, llamadas por eso virtuales, en las que el producto de su energía por el tiempo de su existencia efímera es menor que el cuanto de acción. Se llaman fluctuaciones cuánticas del vacío y son las responsables de que exista un campo que lo inunda todo llamado campo de punto cero.

Pero volvamos de nuevo a las fluctuaciones de vacío, que al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo temporalmente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas” del espacio, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones “vecinas”. Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío, las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

De las llamadas fluctuaciones de vacío pueden surgir, partículas virtuales y quién sabe que cosas más… Hasta un nuevo Universo.

“El espacio no está vacío ni es silencioso. Aunque técnicamente es un vacío, contiene partículas energéticas cargadas, gobernadas por campos magnéticos y eléctricos que pueden ser escuchadas. En regiones atadas con campos magnéticos, como el ambiente espacial que rodea nuestro planeta, las partículas son continuamente lanzadas hacia adelante y atrás por el movimiento de varias ondas electromagnéticas conocidas como ‘ondas de plasma'”

Partículas efímeras que surgen del “vacío” producido por fluctuaciones

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas regiones vecinas de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? Sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que los movimientos de degeneración claustrofóbicos son para los electrones. Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de neutrones mantiene estable a la estrella de neutrones, que obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo la estrella.

No creo que esto sea el salto cuántico

De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito. Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles. Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto). Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”. Si la energía es masa y la masa produce gravedad, entonces ¿qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

                                          No, el espacio no está vacío como alguna vez se pudo creer.

…el espacio no está vacío como creíamos, está lleno de una esencia viva que empezamos a entender. Está demostrado que nuestras experiencias internas influyen en el mundo a través del espacio. La nada no existe, si de “ella” surgió algo, es por había.

No podemos contestar de momento a esas preguntas, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí (en eso que llamamos vacío) de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y sólo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a las que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del universo, que no se corresponde en absoluto con la masa y la energía que podemos ver.

El vacío no existe, siempre hay. También resulta ser así en nuestras mentes. Sin embargo, en algunas hay más que en otras. No todos tenemos abundancia de ese ingrediente que llamamos capacidad intelectual

Estoy atando cabos sueltos, uniendo piezas y buscando algunas que están perdidas de tal manera que, por mucho que miremos, nunca podremos ver. El lugar de dichas piezas perdidas no está en nuestro horizonte y se esconde más allá de nuestra percepción sensorial. Se necesitará tiempo y evolución para que, nosotros, podamos “ver” esas dimensiones extra que, al parecer, hacen posible que todo alcance una simetría universal en la que, pacíficamente, convivan todas las fuerzas, todas las energías y, toda la materia.

Se habla de la materia perdida. Situada a lo largo de la línea de observación de este AGN, a una distancia de alrededor de 400 millones de años luz de la Tierra, se encuentra una estructura conocida como Pared del Escultor. Esta estructura muy difusa se prolonga a lo largo de decenas de millones de años luz conteniendo en su interior miles de galaxias y también una reserva importante de gas difuso y caliente (WHIM) en el que podría hallarse la materia buscada.

No dejamos de observar, seguimos buscando esas respuestas a preguntas planteadas que nadie ha sabido contestar…

Estamos en un momento crucial de la física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad, que también está implícita en la teoría M. Estamos anclados; necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas virtuales que atan nuestras mentes a ideas del pasado. En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión. Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aun estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo el hiperespacio, de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad. Cuando sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy no sabemos resolver.

emilio silvera

[?]