“El modelo de Glashow–Weinberg–Salam «asocia la carga electrodébil, T, a dobletes de las componentes L de los fermiones [y] singletes de las componentes R». La discusión es breve, pero precisa y segura. A los bosones débiles W+, W− y W3 de la simetría SU(2)L se les «incorpora un bosón neutro adicional de la simetría U(1)Y , al que se denota como B. [El] bosón B se combina con el bosón neutro, W3 del grupo SU(2) [para] dar lugar a uno sin masa, [el] fotón A, [y] otro masivo, el Z0«. Se introduce también el ángulo de Weinberg θW.

Los quarks de un protón son libres de moverse dentro del volumen del protón.	Si se intenta tirar de uno de los quarks hacia afuera, la energía requerida es del orden de 1 GeV por Fermi, como estirar una bolsa elástica.	La energía necesaria para producir una separación excede en mucho a la energía de producción de un par quark-antiquark, así que en vez de sacar un quark aislado, se producen mesones como los producidos al combinar pares de quark-antiquark.

Los model

Tras introducir de forma breve la libertad asintótica y la observación experimental de los quarks mediante jets, se presenta la interacción débil. «Se comprobó que viola la paridad. Esta propiedad debe ser incorporada a la estructura de esta interacción. Para ello, el espinor de Dirac f, que representa a cada fermión, se puede separar en dos componentes, fL y fR, cada una de las cuales corresponde a la orientación del momento respecto del espín (helicidad). [En] el caso de la desintegración β la interacción débil solo afecta a la componente e−L y a su antipartícula e+R. La componente e−R o e+L no interviene en la interacción débil».

Toda teoría sobre las partículas elementales se desarrolla dentro del marco de la teoría cuántica de campos, que incluye tanto el modelo estándar como la teoría del núcleo. Está basada en tres supuestos fundamentales:

• La validez de la mecánica cuántica.
• La validez del principio de relatividad de Einstein.
• La localidad, es decir, todas las fuerzas fundamentales surgen de procesos locales y no de la acción a distancia. Estos procesos locales incluyen la emisión y absorción de partículas.

La comprensión de por qué las ecuaciones de la mecánica cuántica son las que son, de por qué la materia esta formada por unas partículas determinadas y de por qué existe algo como la luz vino con el éxito del modelo estándar de partículas. Un requisito clave para ello fue la reconciliación en los años 40 de la Relatividad Especial con la mecánica cuántica. Ambas son prácticamente incompatibles y solo pueden coexistir en un tipo determinado de teorías. En estas teorías las fuerzas entre partículas solo pueden surgir del intercambio de otras partículas. Además todas estas partículas son cuantos de varios tipos de campos. Por ejemplo existe un campo electrónico cuyo cuanto es el electrón y el cuanto del campo electromagnético es el fotón. No existen campos para los protones y los neutrones porque estos están formados por otras partículas elementales: los quarks, que sí tienen campos asociados.

Por eso las ecuaciones de una teoría de campos como el modelo estándar no tratan con partículas sino con campos: las partículas aparecen como manifestaciones o excitaciones de dichos campos.

El problema de unir adecuadamente la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad parecía estancado hasta que, en 1930, el físico inglés Paul Adrian Maurice Dirac logró deducir una ecuación que describe adecuadamente los fenómenos cuánticos y es compatible con el principio de la relatividad. Si existe algo así como una estética matemática, la ecuación de Dirac es una verdadera obra de arte, por la manera tan ingeniosa con la que el físico inglés resolvió un problema aparentemente irresoluble.

el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a varias cuestiones sin resolver.

 

1. El problema del número de constantes físicas fundamentales. El modelo contiene 19 parámetros arbitrarios cuyos valores se eligen para que las predicciones se ajusten a los resultados experimentales.
2. Por qué las interacciones se dan como simetrías gauge del grupo SU_C(3)×SU_L(2)×U_Y(1).
3. Por qué hay tres generaciones de cuarks y leptones.
4. Por qué no hay hadrones con carga fraccionaria (a pesar que sus constituyentes, los cuarks, sí la tienen).
5. Cuál es el origen de las masas de los leptones y los cuarks y/o la aparente jerarquía de masas.
6. El origen de la violación CP. Dentro de él, la materia y la antimateria son simétricas. La preponderancia de la materia en el universo podría ser explicada diciendo que el universo comenzó con otras condiciones iniciales, pero la mayoría ^[¿quién?] de los físicos piensan que esta explicación no es elegante.
7. No explica la materia oscura ni la energía oscura.

• Einstein reformuló la teoría newtoniana en su Teoría de la Relatividad General. Interpretando la gravedad como geometría llegó a las llamadas ecuaciones de campo de Einstein

Estas ecuaciones contienen tanto los resultados de Galileo como los de Newton, pero al precio de una complejidad mucho mayor. Las ecuaciones de Einstein son necesarias en algunas aplicaciones que requieren una gran precisión como las sincronizaciones de los satélites del sistema GPS.

Aun así no son universalmente válidas. Se sabe que no son aplicables a objetos extremadamente pequeños, como puede ser el centro de un agujero negro.

Los físicos (aunque han tratado de lograrlo), no han  podido incluir la fuerza de Gravedad en el Modelo Estandar de la física de partículas, parece que la Gravedad no quiere juntarse con las otras tres fuerzas fundamentales.

Sin embargo, la gravedad sí que actúa en las partículas subatómicas, pues tienen masa. Pero es una masa tan pequeña que esta interacción queda ensombrecida y su comportamiento está descrito por la interacción electromagnética (a nivel atómico) y por las interacciones nuclear débil y fuerte (a nivel subatómico.

Es decir,se trata simplemente de que el ámbito de la fuerza de Gravedad no está en ese “universo” de lo muy pequeño que casi carece de masa. Si lugar es aquel en el que pululan las estrellas, los mundos, las galaxias , agujeros negros y objetos masivos que la genera.

Dicen que la Naturaleza es “sabia” y, precisamente por ello a cada cosda le reserva su lugar y cometido y, precisamente el de la Gravedad no se encuentra en el mundo de lo muy pequeño, sino que, por el contrario habita allí donde las masas son importantes. Cuando está presente una singularidad es tan potente que, distorsiona el Espacio y hace desaparecer el Tiempo.

Es simplemente por e4so que la fuerza de Gravedad no está presente con las otras fuerzas en el Modelo Estándar, ella, la Gravedad, necesita de grandes masas para hacer acto de presencia y realizar el trabajo que le tiene encomendado la Naturaleza.

Aunque se dice que una teoría cuantica de la Gravedad subyace en la Teoría de Cuerdas…. No parece muy factible que estas dos fuerzas incompatibles “sean amigas” alguna vez.

emilio silvera

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Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del Universo y… de la vida inteligente.  Venimos y tenemos nuestro origen en las entrañas de las estrellas, allí, en sus “hornos” nucleares, se fabricaron los materiales de los que estamos hechos todos los seres vivos. Y, sin temor a equivocarnos podríamos decir que somos “materia inerte” evolucionada hasta el nivel de la conciencia.

Pero está claro que todo el proceso estelar evolutivo inorgánico nos condujo desde el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas solares hasta los planetas, la Tierra en particular, en cuyo medio ígneo describimos la formación de las estructuras de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso de las estrellas.

Desde el punto de vista del orden es la primera vez que nos encontramos con objetos de tamaño comparables al nuestro, en los que la ordenación de sus constituyentes es el rasgo más característico.

Al mismo tiempo nos ha parecido reconocer que esos objetos, es decir, sus redes cristalinas “reales”, almacenan información (memoria) que se nos muestra muy diversa y que puede cobrar interés en ciertos casos, como el de los microcristales de arcilla, en los que, según Cairns-Smith, puede incluso llegar a transmitirse.

No es fácil decir que, esa Nebulosa está conformada por materia inerte, toda vez que, lo que ahí está presente, interacciona y evoluciona conforme a una serie de parámetros que, como las temperaturas y otros la transforman en objetos distintos de lo que ahora son simples gases y riadas de polvo.

Porque, ¿qué sabemos en realidad de lo que llamamos materia inerte? Lo único que sabemos de ella son los datos referidos a sus condiciones físicas de dureza, composición, etc; en otros aspectos ni sabemos si pueden existir otras propiedades distintas a las meramente físicas.

¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte?

Pero el mundo inorgánico es sólo una parte del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico.

Según decía en páginas anteriores, los quarks u y d se hallan en el seno de los nucleones (protones y neutrones) y, por tanto, en los núcleos atómicos. Hoy día, éstos se consideran como una subclase de los hadrones.

La composición de los núcleos (lo que en química se llama análisis cualitativo) es extraordinariamente sencilla, ya que como es sabido, constan de neutrones y protones que se pueden considerar como unidades que dentro del núcleo mantienen su identidad. Tal simplicidad cualitativa recuerda, por ejemplo, el caso de las series orgánicas, siendo la de los hidrocarburos saturados la más conocida. Recordad que su fórmula general es C_nH_2n+2, lo que significa que una molécula de hidrocarburo contiene n átomos de carbono (símbolo C) y (2n+2) átomos de hidrógeno (símbolo H).

El número de protones y neutrones determina al elemento, desde el hidrógeno (el más simple), al uranio (el más complejo), siempre referido a elementos naturales que son 92; el resto son artificiales, los conocidos transuránicos en cuyo grupo están el einstenio o el plutonio, artificiales todos ellos.

Los núcleos, como sistemas dinámicos de nucleones, pertenecen obviamente a la microfísica y, por consiguiente, para su descripción es necesario acudir a la mecánica cuántica. La materia, en general, aunque presumimos de conocerla, en realidad, nos queda mucho por aprender de ella.

Hablemos un poco de moléculas.

El número de especímenes atómicos es finito, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya antes me referiría a las especies atómicas, naturales y artificiales que son de unos pocos millares; en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprende varios millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a las síntesis que se llevan a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura con individualidad propia, constituida por núcleos y electrones. Obviamente, en una molécula las interacciones deben tener lugar entre núcleos y electrones, núcleos y núcleos y electrones y electrones, siendo del tipo electromagnético.

Debido al confinamiento de los núcleos, el papel que desempeñan, aparte del de proporcionar la casi totalidad de la masa de la molécula, es poco relevante, a no ser que se trate de moléculas livianas, como la del hidrógeno. De una manera gráfica podríamos decir que los núcleos en una molécula constituyen el armazón de la misma, el esqueleto, cuya misión sería proporcionar el soporte del edificio. El papel más relevante lo proporcionan los electrones y en particular los llamados de valencia, que son los que de modo mayoritario intervienen en los enlaces, debido a que su energía es comparativamente inferior a la de los demás, lo que desempeña un importante papel en la evolución.

Desde las moléculas más sencilla, como la del hidrógeno con un total de 2 electrones, hasta las más complejas, como las de las proteínas con muchos miles de ellos, existe toda una gama, según decía, de varios millones.  Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Sin entrar en las posibles diferencias interpretativas de estas notables divergencias, señalaré que desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares y atómicas.

Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a la de los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco se podría admitir que la citada información la soportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales las que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones corticales.

Justamente esa información es la que va a determinar las capacidades de unión de unos átomos con otros, previo el “reconocimiento” entre los orbitales correspondientes. De acuerdo con la mecánica cuántica, el número de orbitales se reduce a unos pocos. Se individualizan por unas letras, hablándose de orbitales s, p, d, f, g, h. Este pequeño número nos proporciona una gran diversidad.

La llamada hibridación (una especie de mezcla) de orbitales es un modo de aumentar el número de mensajes, esto es, la información, bien entendido que esta hibridación ocurre en tanto y en cuanto dos átomos se preparan para enlazarse y formar una molécula.

En términos electrónicos, la información se podría considerar proporcionada por un campo de densidad eléctrica, con valles, cimas, collados, etc, es decir, curvas isoelectrónicas equivalentes formalmente a las de nivel en topografía. Parece razonable suponer que cuanto más diverso sean los átomos de una molécula, más rica y variada podrá ser su información, la información que pueda soportar.

La enorme variedad de formas, colores, comportamientos, etc que acompaña a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas (y sus agregados) que forman parte de dichos objetos.

C.

La inmensa mayoría de ellas contiene carbono. Debido a su tetravalencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

El carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Próximos al carbono en la tabla periódica, el silicio, fósforo y boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor.

emilio silvera

[?]

Cuando los átomos de Cl y Na interaccionan por aproximarse suficientemente sus nubes electrónicas, existe un reajuste de cargas, porque el núcleo de Cl atrae con más fuerza los electrones que el de Na, así uno pierde un electrón que gana el otro. El resultado es que la colectividad de átomos se transforma en colectividad de iones, positivos los de Na y negativos los de Cl. Las fuerzas electromagnéticas entre esos iones determinan su ordenación en un cristal, el Cl Na. Por consiguiente, en los nudos de la red existen, de manera alternativa, iones de Na e iones de Cl, resultando una red mucho más fuerte que en el caso de que las fuerzas actuantes fueran de Van der Waals. Por ello, las sales poseen puntos de fusión elevados en relación con los de las redes moleculares.

Hablemos de cuerpos.

Me referiré en primer lugar a los que constituyen nuestro entorno ordinario, que sería todo el entorno que abarca nuestro planeta. En segundo lugar considerare los demás cuerpos y objetos del universo. El análisis de muestras de esos diversos cuerpos ha puesto de manifiesto que, en función de la composición, los cuerpos pueden ser simples y compuestos. Los primeros son, precisamente, los llamados elementos químicos, a las que el insigne Lavoisier (conocido como padre de la química), consideró como el último término a que se llega mediante la aplicación del análisis químico.

Hoy sabemos que son colectividades de átomos isotópicos.

La mayoría de ellos son sólidos y se encuentran en la naturaleza (nuestro entorno terráqueo) en estado libre o en combinación química con otros elementos, formando los diversos minerales.

La ordenación de los iones en las redes se manifiesta externamente en multitud de formas y colores. No obstante debo señalar que, aun siendo abundante esta variedad, no es tan rica como la que corresponde a los cuerpos vivos, tanto animales como vegetales. La explicación se basa en que el número de especímenes moleculares y su complejidad son mucho mayores que en el reino inorgánico.

Sería conveniente, salir al paso de una posible interpretación errónea.  Me refiero a que pudiera pensarse que los reinos que acabamos de mencionar constituyen clases disyuntas, esto es, sin conexión mutua. Y no lo digo porque esté considerando el hecho de que el carbono forma compuestos inorgánicos y orgánicos (lo que también hace el silicio), sino porque haya existido, y aún pueda existir, una conclusión, mejor conexión evolutiva del mundo inorgánico y el viviente que no se puede descartar, de hecho yo particularmente estoy seguro de ello. Estamos totalmente conectados con los ríos, las montañas y los valles, con la tierra que pisamos, el aire que respiramos y con todo el resto del universo del que formamos parte.

La teoría de Cairns Smith considera que el eslabón entre ambos mundos se halla localizado en los microcristales de arcilla. Mi teoría particular es que no hay eslabón perdido en dicha conexión, sino que es el tiempo el que pone en cada momento una u otra materia en uno u otro lugar. Ahora nos ha tocado estar aquí como ser complejo, pensante y sensitivo. El eón que viene nos puede colocar formando parte de un enorme árbol, de un monte, o simplemente estar reposando como fina arena en el lecho de un río.  Sin dudarlo, J. M. y P. formarán parte de un hermoso jardín perfumado y lleno de aromas que la brisa regalará a los que pasen cerca de allí.

El granito, por ejemplo, consiste básicamente en una mezcla de tres cuerpos compuestos: cuarzo, mica y feldespato. ¿Quién puede decir hoy lo que seremos mañana?

En todos los cuerpos que hemos estado considerando hasta ahora, las moléculas, los átomos o los iones se hallan situados en los nudos de la correspondiente red, así que, los electrones de esos individuos se encuentran también localizados en el entorno inmediato de esos lugares. Podríamos decir que la densidad electrónica es una función periódica espacial, lo que significa que al recorrer la red siguiendo una determinada dirección irían apareciendo altibajos, es decir, crestas y valles de la densidad electrónica.

La estructura de los cuerpos metálicos, así como las aleaciones, merecen una consideración especial. La estructura de los metales y aleaciones difiere de la de los demás cuerpos en un aspecto muy importante que consideraré a continuación.

Me refiero a que en los cuerpos metálicos existe una deslocalización de los electrones que están menos fuertemente enlazados en los correspondientes núcleos, es decir, de los electrones de valencia.

Vamos a precisar un poco. Supongamos, para fijar las ideas, que tenemos un trozo de plata metálica pura. En los nudos de la red correspondientes los átomos han perdido su electrón de valencia, pero ocurre que cada uno de estos electrones forma una colectividad que se halla desparramada o dispersa por todo el sólido. Una primera imagen de esta situación fue establecida por el gran físico italiano Enrico Fermi, por lo que se habla de un gas electrónico, llamado también de Fermi, que llenaría los espacios libres, es decir, no ocupados por los iones metálicos.

Este gas electrónico es el responsable de las propiedades metálicas, tales como el brillo, conductibilidades eléctrica y térmica, etc. La aplicación de la mecánica cuántica a la descripción del estado metálico conduce a la obtención del mapa de la densidad electrónica, o como decía antes, a las características de la información correspondiente.

Sin entrar en detalles que desviarían nuestra atención hacia otros conceptos fuera de los límites de lo que ahora estoy pretendiendo, utilizaré el mismo lenguaje que para las estructuras de núcleos y átomos.

Recordemos que en la sociedad de los nucleones y electrones existen las relaciones verticales y las de estratificación, que se manifiestan en las capas y subcapas. En el caso de los metales tendríamos una colectividad de núcleos, arropados con sus capas cerradas, ocupando los nudos de la red; únicamente los electrones de valencia de cada átomo forman la colectividad del gas electrónico.

La pregunta que nos debemos hacer es: ¿estos electrones, en número igual por lo menos al de los átomos, se hallan estratificados? La respuesta es que sí. Existe una estratificación de estos electrones en las llamadas bandas.  El concepto de banda energética resulta de la consideración simultánea de dos aspectos: la cuantización energética (o la estratificación de los niveles energéticos en los átomos) y el grandísimo número de electrones existentes.  Este colectivo no podría ubicarse en un número finito y escaso de niveles.   Esta dificultad queda soslayada si se admite que cada uno de esos niveles atómicos de los n átomos que forman el cuerpo se funde en otros tantos niveles de cierta anchura donde ya pueden alojarse los electrones disponibles.

Esa fusión de los niveles atómicos da lugar a las bandas. Esta imagen equivaldría a considerar un metal como un átomo gigante en el que los niveles energéticos poseyeran una anchura finita.

En cuanto a la información que puede soportar un metal, podríamos señalar que sería parecida a la del correspondiente átomo, pero mucha más extendida espacialmente. Una información puntual, la del átomo, daría paso a otra espacial, si bien vendría a ser una mera repetición periódica de aquella.

¿Y los cuerpos que pueblan el resto del universo?

Cuando un cuerpo sobrepasa unas determinadas dimensiones, aparece algo que conocemos como fuerza gravitatoria y que se deja sentir en la forma que todos conocemos y que da lugar primeramente a la fusión de los diversos materiales que forman los cuerpos.

Así, por ejemplo, en el cuerpo que llamamos Tierra, la presión crece con la profundidad, por lo que a partir de un determinado valor de ésta, aparece el estado líquido y con él una estratificación que trata de establecer el equilibrio hidrostático.

Dentro de nuestro sistema planetario se distinguen los planetas rocosos, hasta Marte y meteoritos inclusive, y el resto de ellos, desde Júpiter en adelante, incluido este. Estos últimos difieren esencialmente de los primeros en su composición. Recuérdese que la de Júpiter es mucho más simple que la de los planetas rocosos. Consta fundamentalmente de hidrógeno, helio, agua, amoniaco y metano, con un núcleo rocoso en su interior. El hidrógeno que rodea a este núcleo se encuentra en forma de hidrógeno atómico sólido.

También la composición del Sol (y todas las estrellas que brillan) es más simple que la de los planetas rocosos, su estado físico es el de plasma y su contenido está reducido (mayormente) a hidrógeno y helio. Más variedad de materiales existe en las estrellas supernovas, donde el primitivo hidrógeno ha evolucionado de la manera que expliqué en otra parte de este trabajo.

En cuanto a los derechos de la evolución estelar, enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros, señalaré que la composición de la primera es sencilla en cuanto al numero de “elementos” constituyentes; la segunda ya lo indica su propio nombre, constan de nucleones, particularmente neutrones que están fuertemente empaquetados (muy juntos) por la gravedad. Una estrella de neutrones puede tener una densidad superior a la del agua, en millones de veces y del mismo orden que la de los núcleos atómicos. El agujero negro es un fenómeno aparte, su inmensa fuerza gravitatoria es tal que ni la luz puede escapar de ella, es decir, su velocidad de escape es superior a 300.000 Km/s, y como según la relatividad nada es en nuestro universo superior en velocidad a la luz, resulta que nada podrá escapar de un agujero negro.

Menos mal que nadie ha visitado un agujero negro. No podría haber regresado para contarnos los que allí ocurre. Sin embargo, sabemos que…

Allí dentro, en el interior del agujero negro, no existen ni el tiempo ni el espacio; es como un objeto que estando en nuestro universo (deja sentir su fuerza gravitatoria y engulle estrellas), al mismo tiempo no está aquí.

Desde el comienzo de este trabajo estoy tratando de relacionar el universo, la materia y la consciencia, es por ello que me he entretenido en dar tantas explicaciones tratándo de hacerme comprender, si lo he conseguido o no será cuestión de que ustedes emitan su veredicto.

emilio silvera

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Resuelto el mistertio del origen de los agujeros negros supermasivos

En contra de lo que se creía, no se formaron a partir del colapso de estrellas, sino de forma directa poco tiempo después del Big Bang

Los agujeros negros supermasivos, esos que hoy podemos observar en los centros de la mayoría de las galaxias, son algo muy difícil de explicar. Y es que hasta ahora los investigadores que lo han intentado, y que lo siguen intentando, se han encontrado con una serie de dificultades prácticamente insalvables a la hora de escribir sus historias.

Estrellas supermasivas que al final de sus vidas (se creía) se convertían en agujeros negros

¿De dónde vienen estos gigantescos y oscuros objetos, que pueden llegar a tener hasta miles de millones de veces la masa del Sol? ¿Cómo llegaron a formarse? ¿Y cómo, a pesar de su extrañeza, pueden haber llegado a ser tan numerosos? Ahora, un equipo de astrofísicos de la Western University, en Canadá, parece haber encontrado una respuesta a este misterio cósmico. Los resultados de su trabajo se acaban de publicar en la revista The Astrophysical Journal Letters.

Por lo que sabemos, un agujero negro se forma tras el colapso gravitatorio de una estrella de por lo menos cinco masas solares que, al quedarse sin combustible, es aplastada por su propia gravedad. Cuando la estrella ha consumido todo su combustible nuclear (por ejemplo hidrógeno o helio), su horno se apaga. Y una estrella no es más que el delicado equilibrio entre dos fuerzas: la que se ejerce «de dentro hacia fuera» gracias a la combustión nuclear; y la que ejerce «de fuera hacia dentro» la implacable gravedad.

El delicado equilibrio de las estrellas

Al desaparecer ese equilibrio, nada se opone a la gravedad, que comprime a la estrella hasta convertirla en un amasijo de materia superdensa y en la que ni siquiera queda ya espacio entre los átomos. Y aún más allá, la gravedad aplasta también ese núcleo endurecido hasta convertirlo en algo ralmente pequeño, pero de una densidad inconcebible. Llega un momento en que la materia comprimida no resiste más y explota con una violencia inusitada: una supernova. Las capas externas de la estrella moribunda salen disparadas al espacio en una explosión de enorme energía, y en el centro queda un punto de infinita densidad, de tamaño microscópico pero con la mayor parte de la masa de la estrella original en su interior. Se ha formado un agujero negro.

Ahora bien, eso vale para agujeros negros de «tamaño estelar», y sabemos que nuestra propia galaxia, y el Universo entero, está lleno de ellos. Otra cosa muy diferente son los agujeros negros supermasivos, muchísimo más grandes y pesados. No resulta raro, por ejemplo, encontrarlos del tamaño de todo nuestro Sistema Solar, y con una masa equivalente a la de varios miles de millones de soles.

¿De dónde vienen los monstruos supermasivos?

Según la teoría más aceptada, estos gigantes oscuros nacieron de la misma forma, tras el colapso de estrellas, y fueron creciendo a medida que iban devorando más y más materia, hasta convertirse en los auténticos «monstruos» que son en la actualidad. Lo malo es que para que un agujero negro «normal» crezca hasta convertirse en uno supermasivo, se necesita una enorme cantidad de tiempo. Y resulta que los científicos han encontrado agujeros negros supermasivos ya perfectamente formados cuando el Universo apenas tenía unos pocos cientos de millones de años. Tiempo a todas luces insuficiente para permitir un crecimiento tan desproporcionado.

En 2017, por ejemplo, los astrónomos encontraron un agujero negro de 800 millones de masas solares que se había formado «solo» 690 millones de años tras el Big Bang. Es decir, que nació, casi, en los primeros días de existencia del propio Universo, mucho antes del tiempo que la teoría considera necesario para alcanzar ese tamaño.

¿Cómo crecieron tan rápido?

Según Shantanu Basu y Arpan Das, del Departamento de Física y Astronomía de la Western University, esos agujeros negros se formaron de forma «directa», es decir, sin necesidad de surgir de entre las cenizas de una estrella muerta. Los dos investigadores, en efecto, han desarrollado una explicación alternativa para la distribución observada de masas y luminosidades de agujeros negros supermasivos. Algo que no existía hasta ahora.

El nuevo modelo se basa en una suposición muy simple: los agujeros negros supermasivos se forman muy rápidamente, en periodos muy, muy cortos de tiempo y, de repente, se detienen.

«Se trata de una evidencia observacional de que los agujeros negros se originan a partir de colapsos directos de materia, y no de restos estelares», asegura Shantanu Basu.

Basu y Das desarrollaron un nuevo modelo matemático calculando la función de masa de los agujeros negros supermasivos que se forman durante un periodo de tiempo concreto y experimentan un rápido crecimiento exponencial en sus masas. Según los investigadores, dicho crecimiento puede ser regulado por el llamado «límite de Eddington», que se establece por medio de un equilibrio entre las fuerzas de radiación y de gravedad.

«Los agujeros negros supermasivos -explica Basu- solo dispusieron de un periodo de tiempo muy corto para crecer rápido y luego, en algún momento, debido a toda la radiación del Universo creada por otros agujeros negros y estrellas, su producción se detuvo. Ese es el escenario del colapso directo».

Este nuevo modelo permite masas iniciales muy grandes, muy superiores a las que alcanza un agujero negro surgido de la muerte de una estrella, y tiene un gran potencial para explicar las observaciones de los astrónomos. El fenómeno, sin embargo, solo se produjo durante los primeros tiempos de existencia del Universo, antes de que éste se llenara completamente de radiación. La explicación pone así punto y final a un misterio que ha tardado décadas en resolverse.

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Steven Weinberg y Abdus Salam

Precisamente, en los dos últimos comentarios de Fandila y otro mío, nos estábamos refiriendo a las teorías y, los dos coincidimos en que, a medida que se avanza y se descubren nuevos parámentros, tienen que ser refinadas para que reflejen de manera más real lo que quieren representar de los fenómenos que vemos en la Naturaleza.

“El modelo estándar de la física de partículas es una teoría relativista de campos cuánticos desarrollada entre 1970 y 1973^{[cita requerida]} basada en las ideas de la unificación y simetrías¹​ que describe la estructura fundamental de la materia y el vacío considerando las partículas elementales como entes irreducibles cuya cinemática está regida por las cuatro interacciones fundamentales conocidas (exceptuando la gravedad, cuya principal teoría, la relatividad general, no encaja con los modelos matemáticos del mundo cuántico). La palabra “modelo” en el nombre viene del período de los 70 cuando no había suficiente evidencia experimental que confirmara el modelo.¹​ Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a varias cuestiones sin resolver.”

Han pasado 50 años desde que Steven Weinberg y Abdus Salam publicaran aquel artículo en el que formalizaron el llamado Modelo Estándar de las Interacciones Fundamentales. Han sido 5 décadas de actividad científica muy intensa en las que se han realizado toda clase de experimentos para someter a esta teoría a las más complicadas pruebas que nos dijeran si realmente era un modelo que reflejaba la realidad que la naturaleza nos quiere transmitir.

El Modelo Estándar está construido de manera imperfecta, y aunque ha sido y será una herramienta de un enorme rendimiento para los físicos, hay que reconocer que estaba construido con 20 parámetros aleatorios (metidos con calzador) y, de los cuales solo uno de ellos (el Bosón de Higgs) ha sido hallado.

En el modelo estándar que nos habla de las familias de partículas subatómicas que conforman la materia y también de aquellas otras que son intermediarias en la transmisión de las fuerzas fundamentales. Las partículas están divididas en familias como los quarks, los lectones y los hadrones. En realidad, los hadrones que se dividen en bariones y mesones se consideran una clase de subpartículas al estar conformadas por tripletes de quarks los bariones, y, por quarks y antiquarks los mesones.

Además de las partículas mencionadas, en el Modelo Estándar están incluidas tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza: Fuerza Nuclear Fuerte, Fuerza Nuclear Débil y, Electromagnetismo. La cuarta fuerza que es la Gravedad se resiste a reunirse en el modelo con las otras tres, y, precisamente por eso, los físicos están tratando de construir el modelo de la Gravedad Cuántica que por fin, reúna a todas las fuerzas.

Parece (aunque esto será objeto de un artículo a parte) que en la teoría de cuerdas (pendiente de ser verificada) puede subyacer esa teoría cuántica de la gravedad.

La teoría estándar constituye un logro científico de inmensa importancia. A partir de simples postulados de simetría, es posible deducir las propiedades dinámicas de las interacciones electrodébil y fuerte, es decir, el lagrangiano completo que rige las fuerzas entre los constituyentes básicos de la materia, prediciendo así el comportamiento del mundo microscópico, de forma muy precisa y en perfecto acuerdo con las observaciones experimentales.

Más aún, la consistencia matemática de la teoría hizo necesario introducir un nuevo campo de fuerza escalar, el campo de Higgs, del que no teníamos ninguna evidencia empírica hasta que los experimentos realizados en el acelerador de partículas LHC, encontraron el Bosón de Higgs y se consiguió añadir uno de los veinte parámetros aleatorios que tenía el modelo para convertirlo en un parámetro real y muy positivo, de tal manera que 50 años más tarde, lo que era una hipótesis teórica se ha convertido en una realidad tangible.

Desde la perspectiva actual, la Teoría Estándar se obtiene fácilmente a partir de un mínimo número de ingredientes: la existencia de constituyentes elementales de la materia con espín ½, quarks y lectones, y las propiedades de simetría de los campos cuánticos que los describen.

La derivación matemática de su estructura parece tan simple y elegante que se podría llegar a pensar que es el resultado de una idea brillante (¿por qué no se nos había ocurrido antes?). Nada más lejos de la realidad. El desarrollo histórico de la teoría se produjo mediante una concatenación de pequeños pasos, no siempre en la buena dirección, en los que poco a poco se fueron superando grandes dificultades técnicas y conceptuales.

El modelo que formularon Weinberg y Salam en 1967-1968 estaba basado en los desarrollos anteriores realizados por muchos otros científicos. Además, era un modelo solo de lectones y por lo tanto, tal como ahora sabemos, matemáticamente inconsistente debido a anomalías cuánticas. Harían falta todavía algunos años de profunda investigación y nuevas ideas para hacer posible la incorporación de los quarks, dando lugar al modelo definitivo. La celebración de este cincuentenario es una buena oportunidad para analizar retrospectivamente la evolución conceptual que ha permitido alcanzar este gran éxito científico.

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