« Sí, ¡tenemos que saber y sabremos!

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

  Somos parte del Universo ¡La que piensa!

Teoría de la Eva mitocondrial o “Eva Negra”

Me ha venido a la memoria una noticia que leí, no hace tanto tiempo, en un Boletin de la RSEF, se refería a nuevas y ambiciosas iniciativas en el campo de la Física para tratar de recrear los primeros instantes del Universo, y, sobre todo, de desvelar los secretos que esconde la materia que según parece y a pesar de los muchos avances conseguidos… ¡Aún no conocemos!

La Noticia, que retumbó en todos los medios,  decía:›

“Europa construirá un acelerador tres veces mayor que el LHC.  Aunque el LHC seguirá funcionando por lo menos durante dos décadas más, Europa ya empieza a pensar en su sucesor: un enorme colisionador con una circunferencia de 100 km (frente a los 27 del LHC) y capaz de alcanzar una energía de 100 TeV, siete veces superior a los 14 TeV a los que puede llegar, como máximo, el LHC. Tras alcanzar el hito de detectar el bosón de Higgs.

 

 

 

 

El Modelo Estándar incluye a todos los componentes fundamentales de la materia ordinaria pero no dice nada de la materia oscura ni de la energía oscura. “Tenemos muchas esperanzas de que el LHC en esta nueva etapa a su máximo nivel de energía pueda tener un primer atisbo de lo que es la materia oscura. Y a partir de ahí determinar los objetivos del próximo gran colisionador”, dijo Heuer, Director del CERN.”

 

 

“En física, el consenso científico es que la materia oscura existe con una certeza del 100%. Sabemos que interacciona muy poco con la materia ordinaria, por ello detectarla es extremadamente difícil, pero la estamos buscando con ahínco y tesón en un rango de 90 órdenes de magnitud. Has leído bien, buscamos una partícula con una masa entre los yoctogramos y los yottagramos. La hemos descartado en muchos lugares, pero hay muchos otros en los que aún podría esconderse.”

 

 

 

“Uno de los grandes objetivos del LHC Run 2 es buscar una partícula candidata a la materia oscura si es que hay alguna que esté a su alcance. No sabemos si está a su alcance. Pero no perdemos la esperanza de que la encuentre. Te recomiendo leer al físico y optimista Matt Strassler, “Dark Matter: How Could the Large Hadron Collider Discover It?,” Of Particular Significance, 13 April 2015; “More on Dark Matter and the Large Hadron Collider,” OPS, 15 April 2015.”

 

 

 

“La materia oscura es un corpúsculo (si es macroscópico) o una partícula (si es microscópica) neutro (para la carga eléctrica y para la carga de color), que tiene una vida media muy larga y que interacciona débilmente con la materia ordinaria, quizás sólo gracias al bosón de Higgs. Uno de los objetivos del LHC Run 2 es explorar la búsqueda de una partícula de materia oscura en un pequeño rango de energías (la escala débil entre cientos y miles de GeV). Nos gusta creer que hay muchas razones físicas por las cuales debería esconderse en dicha escala. Pero la Naturaleza es sutil, aunque no perversa. Igual que el borracho que ha perdido sus llaves al entrar en casa de noche las busca debajo de la farola, donde hay luz, aunque esté a unos metros de distancia, buscamos la partícula donde podemos hacerlo. Y nuestra esperanza es encontrarla, pero si no la encontramos allí, como somos tercos, seguiremos buscándola.”

 

 

 

“La ciencia no es una labor fácil. Si lo fuera no sería una labor apasionante. Llevamos buscando la partícula de materia oscura muy poco tiempo (desde 1985 más o menos). Treinta años parece mucho tiempo, pero es muy poco en ciencia. Todavía nos quedan unos diez años de trabajo como mínimo para explorar el hueco que nos queda hasta que tengamos que preocuparnos por los neutrinos en las búsquedas directas de la materia oscura. Si no encontramos la partícula responsable de la materia oscura en 2030 habrá que superar dicho límite y buscar más allá. Una búsqueda muchísimo más difícil. Pero el tesón de los físicos, el trabajo de miles de personas en pro del conocimiento, acabará dando caza a la partícula. Se esconda donde se esconda acabaremos dando con ella. Quizás sea necesario un siglo.”

“El descubrimiento de la partícula responsable de la materia oscura será uno de los grandes descubrimientos del siglo XXI. Deseo que se logre durante mi vida… pero ya se sabe que a la Naturaleza le importa un comino mi existencia. Queda mucho por explorar y queda mucho esfuerzo por realizar. ¡La ciencia es pura pasión! ¡Disfrutemos de la ciencia!”

 

 

Ya avanzado el año 2.015, y el LHC ha comenzado sus actividades  a mayor energía para tratar de buscar esa dichosa “materia oscura” de la que todo el mundo habla y de la que nadie sabe decir, a ciencia cierta, de qué está hecha, cómo surgío, por qué no emite radiación y sí gravedad…

Está bien que no dejemos de avanzar y sigamos buscando aquello que desconocemos. La Naturaleza esconde muchos secretos que tratamos de desvelar  y, la hipotética “materia oscura” es uno de ellos. Hablamos y hablamos sobre algo que no sabemos si en realidad será. Tampoco sabemos de que pueda estar conformada, de dónde surgió y por qué, y,  si emite o genera fuerza gravitatoria por qué no emite radiación. En fin, un misterio que sería bueno resolver. Está claro que algo debe haber, una especie de “sustancia cósmica” que impregna todo el Espacio, es la única manera de explicarse como pudieron formarse las galaxias.

¡100 TeV! ¡100 Km de diámetro!

Si cuando se acercaba la hora de puesta en marcha del LHC salieron múltiples organizaciones planteando protestas de todo tipo, incluso alguna se atrevió a decir que el Acelerador tenía tanta energía que crearía un agujero negro que se tragaría a la Tierra. ¿Qué dirán ahora del fututo Acelerador? Seguramente, habrá mucha más algarabía, protestas y un sin fin de manifestaciones de todo tipo. Sin embargo, el futuro… ¡Es imparable!

En cuanto a la “materia oscura”, no puedo negar que algo parecido debe existir, de otra manera no llego a comprender como podrían haberse podido llegar a formarse las galaxias a pesar de la expansión de Hubble. ¡Algo tuvo que retener la materia que las conforma! Una fuerza de Gravedad que, si no era de esa dichosa “materia” entonces ¿de qué podría ser?

Mi abuelo tiene un cordero

Dice que lo va a matar

Del pellejo hará un pandero

Lo que sea sonará

emilio silvera