Unificar las fuerzas de la Naturaleza en una Teoría

La discusión de la unificación de las leyes de la Naturaleza fue más bien abstracta, y lo habría seguido siendo si Einstein no hubiese dado el siguiente paso decisivo.  Él comprendió que si el espacio y el tiempo pueden unificarse en una sola entidad, llamada espacio-tiempo, entonces quizá la materia y la energía pueden unirse también en una relación dialéctica.

“El Espacio-Tiempo es el modelo matemático que combina el espacio y el tiempo en un único continuo como dos conceptos inseparablemente relacionados. En este continuo espacio-temporal se representan todos los sucesos físicos del Universo, de acuerdo con la teoría de la relatividad y otras teorías físicas.”

                          En la Relatividad Especial se dejaron postulados que asombraron al mundo.

Si las reglas pueden contraerse y los relojes pueden frenarse, entonces cualquier cosa que midamos con regla y relojes también debe cambiar. (Es deseable dejar aquí una nota aclaratoria de que, todo lo que ahora se cuenta de Einstein, en parte, tiene su fuente en otros científicos que, aportaron la base de sus ideas en las que él se inspiró para llegar hasta la Relatividad, y, su efecto fotoeléctrico (que le valió el Nobel de Física) le llegó desde la mente de Planck que, con su “cuanto de acción”, h, le abrió el camino a ese trabajo).

La velocidad de la luz recorre la distancia de la Tierra a la Luna en poco más de un segundo

Sin embargo, casi todo en el laboratorio de un físico se mide con regla y relojes. Esto significa que los físicos tendrán que recalibrar todas las magnitudes del laboratorio que una vez dieron por hecho que eran constantes.

“Un cono de luz es una representación del espacio-tiempo con arreglo a la teoría de la relatividad especial. Según dicha teoría, el cono de luz es un modelo útil para describir la evolución en el tiempo de un haz luminoso en el espacio-tiempo de Minkowski. El fenómeno real cuadridimensional (tres dimensiones espaciales más la dimensión temporal) puede visualizarse a través de un gráfico tridimensional: en los dos ejes horizontales figuran dos de las dimensiones espaciales, y en el eje vertical la dimensión temporal.”

En concreto, la energía es una cantidad que depende de cómo midamos las distancias y los intervalos de tiempo.  Un automóvil de prueba que choca a gran velocidad contra una pared de ladrillos tiene obviamente energía.  No obstante, si el veloz automóvil se aproxima a la velocidad de la luz, sus propiedades se distorsionan.  Se contrae como un acordeón y los relojes en su interior se frenan.

Lo que es más importante, Einstein descubrió que la masa del automóvil también aumenta cuando re-acelera. Pero  ¿de dónde procede este exceso de masa?  Y él concluyó que procedía de la energía. La masa relativista es la masa de un cuerpo medida por un observador con respecto al cual ese cuerpo se mueve. De acuerdo con la teoría de Einstein,  esta masa está dada por:

donde m₀ es su masa en reposo y c es la velocidad de la luz. La masa relativista sólo difiere de la masa en reposo si su velocidad es una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Si V= c/2, por ejemplo, la masa relativista es un 15% mayor que la masa en reposo.

En todo esto hay que comprender una cosa: La velocidad de la luz es el límite que impone el Universo para que un objeto se mueva. Si algo se va acercando a la velocidad de c, entonces comienza a frenarse y la energía inercial se convierte en masa en virtud de la fórmula E = mc² 

              De hecho, cuando una partícula se acerca a la velocidad de c, su masa… ¡Aumenta!

 Así se ha comprobado con haces de muones lanzados en el LHC para experimentar

 Esto tuvo consecuencias perturbadoras.  Dos de los grandes descubrimientos de la física del siglo XIX fueron la conservación de la masa y la conservación de la energía; es decir, la masa total y la energía total de un sistema cerrado, tomadas por separado, no cambian.

                                           Sin fotones nuestro Universo sería diferente

Sin embargo, Einstein decía que cuando un cuerpo material se acerca a la velocidad de la luz, su masa aumenta y, si pudiera llegar  a la velocidad de c, se haría infinita. Por eso precisamente, nada, en el Universo, puede ir más rápido que la luz. Esa es la frontera que impone el Universo para la velocidad. Nació un nuevo principio de conservación que decía que la suma total de la masa y la energía debe siempre permanecer constante.  La materia no desaparece repentinamente, ni la energía brota de la nada.  En este sentido, la materia desaparece sólo para liberar enormes cantidades de energía o viceversa.

 En nuestro Universo, aunque no lo parezca, todo se mueve

Cuando Einstein tenía 26 años, calculó exactamente cómo debía cambiar la energía si el principio de la relatividad era correcto, y descubrió la relación E=mc².  Puesto que la velocidad de la luz al cuadrado (c²) es un número astronómicamente grande, una pequeña cantidad de materia puede liberar una enorme cantidad de energía.  Dentro de las partículas más pequeñas de materia hay un almacén de energía, más de un millón de veces la energía liberada en una explosión química.  La materia, en cierto sentido, puede verse como un depósito casi inagotable de energía; es decir, la materia es en realidad, energía condensada.

La materia del Universo…¿Dónde está?

Einstein supo ver que las dimensiones más altas tienen un propósito: unificar los principios de la Naturaleza.  Al añadir dimensiones más altas podía unir conceptos físicos que, en un mundo tridimensional, no tienen relación, tales como la materia y la energía o el espacio y el tiempo que, gracias a la cuarta dimensión de la relatividad especial, quedaron unificados.

¿Qué pensaba Einstein del puente Einstein-Rosen?

El puente de Einstein-Rosen conecta universos diferentes. Einstein creía que cualquier cohete que entrara en el puente sería aplastado, haciendo así imposible la comunicación entre estos dos universos. Sin embargo, cálculos más recientes muestran que el viaje a través del puente, aunque podría ser muy difícil, no sería imposible; existen ciertas posibilidades de que algún día se pudiera realizar.

                                Si algún día, lejos en el futuro, se lograran abrir esas puertas a las estrellas….

Posteriormente, los puentes de Einstein-Rosen se encontraron pronto en otras soluciones de las ecuaciones gravitatorias, tales como la solución de Reisner-Nordstrom que describe un agujero eléctricamente cargado. Sin embargo, el puente de Einstein-Rosen siguió siendo una nota a pie de página curiosa pero olvidada en el saber de la relatividad.

Roy Patrick Kerr (16-05-1934- ) es un matemático neozelandés, famoso por haber encontrado en 1963 una solución exacta de la ecuación de campo de la relatividad general, aplicada a un agujero negro en rotación.

Las cosas comenzaron a cambiar con la solución que el trabajo matemático presentado por el neozelandés Roy Kerr, presentado en 1.963, encontró otra solución exacta de las ecuaciones de Einstein. Kerr supuso que cualquier estrella colapsante estaría en rotación. Así pues, la solución estacionaria de Schwarzschild para un Agujero Negro no era la solución físicamente más relevante de las ecuaciones de Einstein.

La solución de Kerr causó sensación en el campo de la relatividad cuando fue propuesta. El astrofísico Subrahmanyan Chandrasekhar llegó a decir:

“La  experiencia que ha dejado más huella en mi vida científica, de más de cuarenta años, fue cuando comprendí que una solución exacta de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, descubierta por el matemático Roy Kerr, proporciona la representación absolutamente exacta de innumerables agujeros negros masivos que pueblan el universo. Este estremecimiento ante lo bello, este hecho increíble de que un descubrimiento motivado por una búsqueda de la belleza en matemáticas encontrará su réplica exacta en la naturaleza, es lo que me lleva a decir que la belleza es aquello a lo que lleva la mente humana en su nivel más profundo“.

No podemos “ver” la información que el agujero negro retenga de los entes cósmicos que generaron su origen o de las propiedades de su anterior vida como una masiva estrella.

La solución de Kerr de un agujeros negros giratorio permite que una nave espacial pase a través del centro del agujero por el eje de rotación y sobrevivir al viaje a pesar de los enormes pero finitos campos gravitorios en el centro, y seguir derecha hacia el otro universo especular sin ser destruida por la curvatura infinita.

Desde entonces, estos conceptos, los tenemos que clasificar, no por separado, sino siempre juntos como dos aspectos de un mismo ente materia-energía por una parte y espacio-tiempo por la otra.  El impacto directo del trabajo de Einstein sobre la cuarta dimensión fue, por supuesto, la bomba de hidrógeno, que se ha mostrado la más poderosa creación de la ciencia del siglo XX.  Claro que, en contra del criterio de Einstein que era un pacifista y nunca quiso participar en proyectos de ésta índole.

Ernest Mach

Einstein completó su teoría de la relatividad con una segunda etapa que, en parte, estaba inspirada por lo que se conoce como principio de Mach, la guía que utilizó Einstein para crear esta parte final y completar su teoría de relatividad general. También utilizó el Tensor métrico de Riemann.

Einstein enunció que, la presencia de materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor.  Esta es la esencia del principio físico que Riemann no logró descubrir: la curvatura del espacio está directamente relacionada con la cantidad de energía y materia contenida en dicho espacio.

Esto, a su vez, puede resumirse en la famosa ecuación de Einstein que,  esencialmente afirma:

La ecuación anterior expresa que el contenido material determina la curvatura del espacio-tiempo.

Materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo.

Esa ecuación de arriba de la imagen, engañosamente corta es uno de los mayores triunfos de la mente humana (me he referido a ella en otras muchas ocasiones).  De ella emergen los principios que hay tras los movimientos de las estrellas y las galaxias, los agujeros negros, el Big Bang, y seguramente el propio destino del Universo.

Es curiosa la similitud que se da entre la teoría del electromagnetismo y la relatividad general, mientras que Faraday experimentó y sabía los resultados, no sabía expresarlos mediante las matemáticas y, apareció Maxwell que, finalmente formuló la teoría.

 Maxwell en 1865, escribió, matemáticamente los principios que ya habían expuestos otros científicos (Ampere, Faraday o Lenz) sin que éstos llegaran nunca a describirlo en ecuaciones matemáticas. Le llevó a deducir, mediante la teoría clásica del electromagnetismo, que la luz está hecha de campos eléctricos y magnéticos que se propagan por el espacio.

Einstein, al igual que Faraday, había descubierto los principios físicos correctos, pero carecía de un formulismo matemático riguroso suficientemente potente para expresarlo (claro que Faraday no era matemático y Einstein si lo era).  Carecía de una versión de los campos de Faraday para la Gravedad.  Irónicamente, Riemann tenía el aparato matemático, pero no el principio físico guía, al contrario que Einstein.  Así que, finalmente, fue Einstein el que pudo formular la teoría con las matemáticas de Riemann.

Mediante el Tensor métrico de Rieman, Einstein pudo formular su famosa teoría de la Relatividad General, sonde el Espacio y el Tiempo se distorsionan en presencia de grandes masas. El tensor métrico de Riemann le permitió erigir un potente aparato para describir espacios de cualquier dimensión con curvatura arbitraría. Para su sorpresa, encontró que todos estos espacios están bien definidos y son autoconsistentes. Previamente, se pensaba que aparecerían terribles contradicciones al investigar el mundo prohibido de dimensiones más altas. Riemann no encontró ninguna. De hecho, resultaba casi trivial extender su trabajo a un espacio N-dimensional. El tensor métrico se parecía ahora a un tablero de ajedrez de N x N casillas

Tensor métrico

El tensor de Riemann contiene toda la información necesaria para poder describir un espacio curvo en N-dimensiones. Se necesita dieciséis números para describir el tensor métrico en un espacio tetradimensional. Estos números pueden disponerse en una matriz cuadrada (seis de dichos números son realmente redundantes; de modo que el tensor métrico tiene diez números independientes).

“¡Qué extraño sería que la teoría final se descubriera durante nuestra vida!  El descubrimiento de las leyes finales de la Naturaleza marcará una discontinuidad en la Historia del intelecto humano, la más abrupta que haya ocurrido desde el comienzo de la ciencia moderna del siglo XVII.  ¿Podemos imaginar ahora como sería?” Así se expresó Steven Weinberg que comprendía la complejidad de la empresa. Él, se refería a las modernas versiones de la teoría de cuerdas.

                                                ¿

                                                           Es la belleza un principio Físico?

                                                Teoría de cuerdas que es inverificable… ¡Por ahora!

Cuando hablamos de las teorías de supercuerdas (todas las versiones), lo hacemos sobre otro universo…En este, de momento, las cuerdas no las vemos y, por lo que parece, durante bastante tiempo no aparecerán. Se necesita la Energía de Planck para ello (10¹⁹ GeV). Es una teoría, como nos dice Witten, adelantada a su tiempo y, no disponemos ni de la energía necesaria para poder llegar a ellas (si es que finalmente existen) ni tampoco, las matemáticas actuales son lo suficientemente potentes para poder explicarlas en toda su grandeza. ?Estarán escondidas en las Funciones Modulares de Ramanujan?

Un universo de cuerdas que vibran en el espacio-tiempo para producir partículas…¡Todo podría ser! Comprobando todo lo que está presente y ocurre en el núcleo atómico… ¡Nos da una idea de las cosas que pueden suceder en nuestro Universo!

¿Y las cuerdas, por donde andarán?

La teoría de supercuerdas nos da una formulación convincente de la teoría del Universo, sin embargo, el problema fundamental radica en que una comprobación de dicha teoría, está más allá de nuestras posibilidades actuales.  De hecho, la misma teoría predice que la unificación de todas las fuerzas ocurre a la energía de Planck, o 10¹⁹ miles de millones de electronvoltios (eV), que como sabéis, es alrededor de mil billones de veces mayor que las energías actualmente disponibles en nuestros aceleradores de partículas.

                                                            Formadas por Fermiones y Bosones?

Ya he comentado otras veces que el físico David Gross (el de más edad de los miembros conocidos como el “cuarteto de cuerdas” y autores de la teoría llamada la cuerda heterótica) dijo en una ocasión: “El coste de generar esta fantástica energía, necesitaría el dinero de las tesorerías de todos los países del mundo juntos, y quizá, no llegara.  Es verdaderamente astronómico.”

Siendo así, de momento estamos condenados a no poder verificar experimentalmente este motor (parado) que haría marchar el vehículo de la Física.  La teoría deca-dimensional está paralizada en dos sentidos: el económico y el técnico – matemático.  El primero por falta de dinero que  nos pudiera construir aceleradores tan potentes como para descubrir la partícula de Higgs, los quarks e incluso las cuerdas vibrantes, esos previsibles y minúsculos objetos primordiales que conforman la materia.  En segundo lugar, las formulaciones matemáticas complejas que, según parece, aún no se han inventado.  Parece que hoy, ni siquiera Witten o Perelman, conocen el secreto de los números mágicos que nos puedan llevar hasta el final del camino iniciado con Einstein y Kaluza-Klein.

Particularmente opino que la teoría de cuerdas nos dará muchas alegrías y que en ella están las respuestas a muchas preguntas que no sabemos contestar. Incluso estaría por apostar alguna cosa (un café), sobre la posibilidad de que, aunque con mucho menos energía de la necesaria para hallar las cuerdas, en el LHC podrían aparecer…las sombras de las mismas.

No, de estas cuerdas no hablamos

Dentro del mundo de la Física, los hay de todas las opiniones: en contra y a favor.  Es famosa la postura detractora del Nóbel Sheldoy Glasgow de Harvard, no quiere ni oír hablar de la teoría de supercuerdas a la que califica de física de Teatro.

Otros muchos, la mayoría, como Murray Gell-Marn, Steven Weinberg (ambos Premios Nóbel) o el mismo.  E. Witten (Medalla Field), opinan lo contrario y ven en esta teoría de dimensiones más altas el futuro de la Física.

Ya sabemos que en física toda teoría debe ser verificada, una y otra vez, en uno y en otro lugar, experimentalmente, obteniendo siempre el mismo resultado, es la única manera de que sea aceptada por la comunidad científica, mientras tanto, la teoría no es fiable y queda a la espera de ser comprobada, verificada sin ningún lugar para la duda.

                                       Pero, ¿Se puede recrear la creación? En el LHC lo intentan

La teoría de supercuerdas trata de eso.  Quiere explicarnos todos los misterios del Universo a partir de ese primer momento, ¡la creación!

¿Cuántas y cuántas páginas no habré leído y escrito sobre estos temas fascinantes de los secretos del Universo, las fuerzas que lo rigen, la materia de las Galaxias y de los objetos que lo pueblan?

No podría decirlo.  Sin embargo, hay una cosa que sí puede decir: ¡Cuánto más profundizo en estas cuestiones, cuánto más conocimientos adquiero, más fascinación siento y desde luego, mi capacidad de asombro, más crece! Qué verdad dijo aquel sabio: “Siempre seremos aprendices” ¿Porque, quién puede saberlo todo? Es raro el día que nos acostamos sin haber aprendido algo nuevo.

La degradación de los cables superconductores en el corazón de la máquina de fusión ITER amenaza con provocar mayores retrasos. El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Son muchos los proyectos que tienen vía libre y otros han sido desechados por su alto costo.

                          El polígono quedó abandonado en Texas

¡Qué lastima que no se construyera el súper colisionador superconductor! (SSC), que encontrara los vestigios subatómicos que mostrara una señal característica de la supercuerda, tal como la súpersimetría.  Aunque ni con este monstruoso SSC se hubiera podido sondear la distante energía de Planck, si podría habernos ofrecido una evidencia muy fuerte (aunque indirecta) de la corrección de la teoría de supercuerdas.

Este súper colisionador que se hubiese completado en las afueras de Dallas, Texas, hubiera contado con un tubo gigantesco de 85 km. De circunferencia rodeado de enormes bobinas magnéticas.  Lanzaría protones a velocidades muy cercanas a la de la luz que, viajarían en el sentido de las aguas del reloj y el sentido contrario, para en un momento dado, hacerlos colisionar a una energía de 40 billones de electronvoltios (TeV), generando una intensa ráfaga de residuos subatómicos analizados por detectores que, en contrarían partículas exóticas que hubieran arrojado luz sobre la forma esencial de la materia.  Los campos magnéticos para guiar los protones y los antiprotones dentro del tubo son tan excepcionalmente grandes (del orden de 100.000 veces el campo magnético de la Tierra) que, hubieran sido necesarios procedimientos extraordinarios para generarlos y mantenerlos.

Además del enfriamiento de las bobinas hasta casi el cero absoluto (-273°) y otros problemas que hubieran obligado a enormes avances tecnológicos.  Sin embargo, la política, se cargó el proyecto y nos quedamos sin la esperada partícula de Higgs que es la que genera la ruptura de simetría y es por tanto el origen de la masa de los quarks, así que, habríamos podido descubrir el origen de la masa. Sin embargo, no podemos perder la esperanza, el LHC está en marcha y pronto, nos dará muchas alegrías.

Me viene a la memoria que en el siglo XIX, algunos científicos declararon que la composición de las estrellas estaría siempre fuera del alcance del experimento.  En 1.825, el filósofo y crítico social francés Auguste Comte, al escribir el Curso de Filosofía, declaraba que nunca conoceríamos las estrellas de otra forma que como inalcanzables puntos de luz en el cielo debido a su enorme distancia de nosotros.  Las máquinas del siglo XIX, o de cualquier siglo, argumentaba, no eran suficientemente potentes para escapar de la Tierra y alcanzar las estrellas.

Así que parecía que el determinar la composición de las estrellas era imposible, y, lo curioso es que, casi al mismo tiempo, el físico alemán Joseph Von Fraunhofer estuviera haciendo precisamente eso.  Utilizando un prisma y un espectroscópio, pudo descomponer la luz blanca emitida desde las estrellas lejanas y determinar la composición química de dichas estrellas.

De la misma manera, pudiera, en este mismo instante, estar trabajando un físico-matemático en profundizar en la teoría de supercuerdas y estar formulando otro respetable avance hacia nuestro futuro.

¿Qué sería de nosotros sin la Física?

emilio silvera

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