Siempre hablamos de visitar otros mundos, otros universos y, en ellos, las condiciones físicas no tienen, necesariamente, que ser como en el nuestro. Los mundos, como las estrellas y los universos, pueden tener sus propias características dependiendo de muchos factores que lo podrían conformar de manera muy diferente a como lo está nuestro mundo y vemos que se comporta el universo con sus cuatro leyes fundamentales y sus constantes que, en otro universo, podrían ser de otra manera.

Formas de vida diferentes, estructuras asombrosas y para nosotros desconocidas, y, hasta el Tiempo se podría comportar de diferente manera. Un universo en el que las constantes fuesen diferentes y las fuerzas fundamentales que lo rigen sean de otra manera, y, también existe la posibilidad de que no se expanda, o, que… (Cualquier escenario que ni podemos imaginar).

Si es cierto lo que afirman algunas teorías, entonces existen en realidad un número infinito de universos paralelos, muchos de ellos con diferentes constantes físicas. En algunos de ellos, quizá los protones se desintegran con demasiada rapidez, o las estrellas no pueden fabricar los elementos pesados por encima del hierro, o el Big Crunch tiene lugar demasiado deprisa porque su densidad crítica sobrepasa en mucho a la ideal y no da tiempo a que pueda comenzar la germinación de la vida, y así sucesivamente. De hecho, un número infinito de estos universos paralelos están muertos, sin las leyes físicas que puedan hacer posible la vida tal como la conocemos.

En tal universo paralelo (el nuestro), las leyes de la física eran compatibles con la vida que conocemos. La prueba es que nosotros estamos aquí para tratar esta cuestión. Si esto es cierto, entonces quizá no haya que invocar a Dios para explicar por qué la vida, por preciosa que sea, es posible en nuestro universo. Sin embargo, esto reabre la posibilidad del principio antrópico débil, es decir, que coexistimos con nuestros universos muertos y que el nuestro sea el único compatible para vida.

La segunda controversia estimulada por la función de onda del universo de Hawking es mucho más profunda y, de hecho, aun está sin resolver. Se denomina el Gato de Schrödinger. Empezamos con una función de onda que describe el conjunto de todos los universos posibles. Esto significa que el punto de partida de la teoría de Hawking debe ser un conjunto infinito de universos paralelos, la función de onda del universo. El análisis bastante simple de Stephen Hawking, reemplazando la palabra partícula por universo, ha conducido a una revolución conceptual en nuestras ideas sobre la cosmología.

La teoría cuántica, recordémoslo, afirma que para todo objeto existe una función de onda que mide la probabilidad de encontrar dicho objeto en un cierto punto del espacio y del tiempo.

La teoría cuántica afirma también que nunca se conoce realmente el estado de una partícula hasta que se haya hecho una observación. Antes de que haya una medida, la partícula puede estar en uno de entre una diversidad de estados, descritos por la función de onda de Schrödinger. Por consiguiente, antes de que pueda hacerse una observación o medida, no se puede conocer realmente el estado de la partícula.  De hecho, la partícula existe en un estado ultramundano, una suma de todos los estados posibles, hasta que se hace una medida.

Cuando esta idea fue propuesta por primera vez por Niels Bohr y Werner Heisenberg, Einstein se revolvió contra ella. “¿Existe la luna sólo porque la mira un ratón?“, -o un gato- le gustaba preguntar. Según la teoría cuántica, en su más estricta interpretación, la Luna, antes de que sea observada, no existe realmente tal como la conocemos. “La Luna puede estar, de hecho, en uno cualquiera de entre un número infinito de estados, incluyendo el estado de estar en el cielo, de estar explotando, o de no estar allí en absoluto. Es el proceso de medida que consiste en mirarla el que decide que la Luna está girando realmente alrededor de la Tierra“. Decía Einstein con ironía.

Edwin Schrödinger, autor de la ecuación con su función de onda, se disgustó con estas interpretaciones de su ecuación. Para demostrar lo absurdo de la situación creada, Schrödinger colocó un gato imaginario en una caja cerrada. El gato estaba frente a una pistola, que está conectada a un contador Geiger, que a su vez está conectado a un fragmento de uranio. El átomo de uranio es inestable y sufrirá una desintegración radiactiva. Si se desintegra un núcleo de uranio, será detectado por el contador Geiger que entonces disparará la pistola, cuya bala matará al gato.

Para decidir si el gato está vivo o muerto, debemos abrir la caja y observar al gato. Sin embargo, ¿cuál es el estado del gato antes de que abramos la caja? Según la teoría cuántica, sólo podemos afirmar que el gato esta descrito por una función de onda que describe la suma de un gato muerto y un gato vivo.

Para Schrödinger, la idea de pensar en gatos que no están ni muertos ni vivos era el colmo del absurdo, pero la confirmación experimental de la mecánica cuántica nos lleva inevitablemente a esta conclusión. Hasta el momento, todos los experimentos han verificado, favorablemente, la teoría cuántica.

        Sí, a veces la mecánica cuántica parece tan fantástica como el cuento de Alicia

La paradoja del gato de Schrödinger es tan extraña que uno recuerda a menudo la reacción de Alicia al ver desaparecer el gato de Cheshire en el centro del cuento de Lewis Carroll: “Allí me verás“, dijo el Gato, y desapareció, lo que no sorprendió a Alicia que ya estaba acostumbrada a observar cosas extrañas en aquel lugar fantástico. Igualmente, los físicos durante años se han acostumbrados a ver cosas “extrañas” en la mecánica cuántica.

Existen varias maneras de abordar esta dificultad de lo incomprensible en mecánica cuántica. En primer lugar, podemos suponer que Dios existe.   Puesto que todas las “observaciones” implican un observador, entonces debe haber alguna “conciencia” en el universo. Algunos físicos como el premio Nobel Eugene Wigner, han insistido en que la teoría cuántica prueba la existencia de algún tipo de conciencia cósmica universal.

La segunda forma de tratar la paradoja es la preferida por la gran mayoría de los físicos en activo: ignorar el problema.

El físico Richard Feynman dijo en cierta ocasión: “Creo que es justo decir que nadie comprende la mecánica cuántica. No siga diciéndose a sí mismo, si puede evitarlo, “¿pero cómo puede ser así?” porque usted se meterá “hasta el fondo” en un callejón sin salida del que nadie ha escapado.  Nadie sabe como puede ser eso“. De hecho, a menudo se ha dicho que de todas las teorías propuestas en el siglo XX, la más absurda es la teoría cuántica. Algunos dicen que la única cosa que la teoría tiene a su favor es que “es indudablemente correcta”.

Sin embargo, existe una tercera forma de tratar esta paradoja, denominada teoría de los muchos universos. Esta teoría (como el principio antrópico) no gozó de mucho favor en la última década, pero está siendo revitalizada por la función de onda del universo de Stephen Hawking.

Aunque no siempre, lo más simple tiene que ser lo verdadero. El principio de la Navaja de Ockham es fundamental para el reduccionismo metodológico.

Existe un principio de la física denominado Navaja de Ockham, que afirma que siempre deberíamos tomar el camino más sencillo posible e ignorar las alternativas más complicadas, especialmente si las alternativas no pueden medirse nunca.

Para seguir fielmente el consejo contenido en la navaja de Ockham , primero hay que tener el conocimiento necesario para poder saber elegir el camino más sencillo, lo que en la realidad, no ocurre. Nos faltan los conocimientos necesarios para hacer las preguntas adecuadas.

¿Quién puede saber lo que ahí fuera existe? ¡Nadie! Sólo podemos imaginarlo en función de cada Mente y de distintas maneras. Lo que sí es seguro es que, más allá de nuestro Universo existen más “cosas” de las que ni podemos imaginar.

Hugo Everett, Bryce DeWitt y después Hawking (también otros), han propuesto la teoría de los universos múltiples. En unos universos los protones se desintegran antes haciendo inestable la materia, en otros, el átomo de uranio se desintegra mediante un proceso sin radiaciones, y en otros universos las constantes universales que existen en el nuestro, son totalmente diferentes y no dan posibilidad alguna para la existencia de seres vivos. Está claro que cualquier variación que en principio pudiera parecer sin importancia, como por ejemplo la carga del electrón, podría transformar radicalmente nuestro universo.

Como apuntó el físico Frank Wilczek:

La Helena de Troya de la película

“Se dice que la historia del mundo sería totalmente distinto si Helena de Troya hubiera tenido una verruga en la punta de su nariz.”

Hasta el momento, se han celebrado varias conferencias internacionales sobre la función de onda del universo. Sin embargo, como ocurre en la teoría de supercuerdas, las matemáticas implicadas en la función de onda del universo, parecen estar más allá de la capacidad de cálculo que cualquier humano en este planeta pudiera resolver, y tendríamos que esperar años antes de que aparezca un individuo genial que pudiera encontrar una solución rigurosa a las ecuaciones del añorado Hawking.

Recordemos aquí de nuevo que, precisamente ahora, un siglo más tarde, en el Congreso Internacional de Matemáticas celebrado en Madrid el mes de Agosto de 2.006, se otorgó la Medalla Field (una especie de Nobel de las matemáticas) al matemático ruso Perelman, extraño ser que ni se dignó comparecer a recogerla con el premio, hizo caso omiso. Perelman ha resuelto la conjetura expuesta por Poincaré planteada en 1.904.

La conjetura de Poincaré de 1.904, en el año 2.000, fue catalogada por el Instituto Clan como uno de los siete problemas del milenio. Para hacer un comentario sobre esta conjetura tengo que referirme a la topología, el nivel de las matemáticas donde está ubicada.

En el Año Internacional de las matemáticas, reunidos en Madrid y presididos por el Rey de España, todos esperaban la llegada del genio Grigori Perelman, le entregarían el premio de un millón de dólares por haber resuelto uno de los 7 problemas matemáticos del milenio. No apareció a recogerlo y desapareció sin dejar rastro.

El personaje vive dentro de su propio mundo, opinaba que toda aquella gente no merecía que le explicara algo que no entenderían.

Vive en una pequeña casa de 60 m/2 con su madre y sale al campo a coger setas

Las últimas fotos que se conocen de él se las sacaron con un celular en un vagón del metro de Petersburgo. Se está quedando pelado pero las mechas largas y desgreñadas le llegan a los hombros, va en zapatillas sucias, un traje arrugado que le queda corto, sin corbata y con la camisa enteramente desprendida, flaco como un Cristo, la barba igual, la mirada perdida, las uñas largas y sucias y curvadas hacia adentro como garras. El vagón va en dirección sur, a Kúpchino, un barrio de monoblocks donde muere el metro. Todos los vecinos de Kúpchino saben quién es Grisha Perelman y cuál es la puerta del ínfimo departamento que comparte con su madre. Pero ninguno va a decírselo a los periodistas y a los fanáticos de la matemática que cada tanto merodean por ahí.

    La topología tienen unas matemáticas endiabladamente complejas

La topología es la geometría de los objetos elásticos o flexibles que cambian de forma pero tienen las mismas propiedades que antes de ser estirados, achatados, etc. Se pueden retorcer pero no cortar ni pegar.

Los topólogos no tienen en cuenta la distancia, puesto que se puede variar al deformar el objeto, sino nociones más sutiles. Los orígenes de la topología se remontan a mediados del siglo XVIII, con los trabajos de Euler en teoría de grafos, que llamó “análisis situs”.

A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, la topología recibió un gran impulso con los trabajos de Poincaré, matemático francés muy influyente en el posterior desarrollo de diversas áreas de las matemáticas y de la física. En particular, en 1.904 planteó la conjetura que lleva su nombre y que no se ha resuelto hasta el siglo XXI. Este problema ha sido un motor para la investigación en topología de todo el siglo pasado y se ha llegado a su resolución con ideas nuevas y apasionantes.

                             Henri Poincaré en su estudio trabajando

Para situarnos mejor debemos hablar de las variedades, espacios que tienen una dimensión determinada. Por ejemplo una recta o un circulo son variedades de dimensión uno, puesto que se describen como un parámetro.  El plano o la esfera son ejemplos de variedades bidimensionales, al utilizar dos parámetros para describir sus posiciones. El espacio en que vivimos es una variedad tridimensional, y si le añadimos la dimensión temporal, el espacio-tiempo es una variedad de dimensión cuatro. Ya he comentado en este mismo trabajo cómo las singularidades geométricas, las variedades, fueron introducidas por Riemann a mediados del s.    XIX y constituyeron una herra-mienta clave para la física del siglo XX. De hecho, la teoría de la relatividad especial de Einstein fue postulada por Einstein en 1.905, pero hasta que no incorporó las variedades contenidas en el tensor métrico de Riemann, no pudo completar la teoría de la relatividad que incluía los espacios curvos.

La pregunta que hizo Poincaré fue la siguiente: ¿Es la esfera la única variedad tridimensional para la cual toda curva se contrae?

Se pasó un siglo entero antes de que un genio de las matemáticas, el extraño G. Perelman, pudiera demostrar la conjetura de Poincaré.

De todas las maneras, avanzar en el conocimiento de las cosas no resulta nada fácil, y, aunque el avance es exponencial (cuanto más datos vamos teniendo más rápidamente avanzamos), hay algunos enigmas de la Naturaleza que, de momento, seguirán en la oscuridad de nuestra profunda ignorancia.

Emilio Silvera Vázquez

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Hace años que lo vengo diciendo ¡No hay materia oscura”. Resulta que los cosmólogos no sabían explicare como se pudieron formar las galaxias, estando presente la Expansión de Hubble. ¿Cómo la materia pudo escapar de dicha expansión? En el trabajo “Son muchas las cosas que no sabemos”, decía:

Lo que realmente sucede en las estrellas normales y según su masa, es que tienen un proceso evolutivo que las estrellas normales como el Sol, al agotar su combustible nuclear de fusión, se convierten en Gigantes roja primero y en enanas blancas después, y, si la estrella tiene más de 8 masas solares se convertirán en estrella de neutrones, y, si son hiper-gigantes  (hipotéticamente serían estrellas de Quarks-Gluones de materia extraña), y, muy masivas, tendríamos un Agujero Negro.

Equilibrio, estabilidad: el resultado de dos fuerzas contrapuestas.

Equilibrio = a dos fuerzas contrapuestas

Científicos descubren que el tiempo pasaba cinco veces más despacio en el Universo inmediatamente tras el Big Bang. Los científicos han observado por primera vez el universo primitivo funcionando a cámara extremadamente lenta, desvelando uno de los misterios del universo en expansión de Einstein.

Su error se estima en un 1 segundo en 32.000 años

Las estrellas super-masivas:

• Masa Gigante: Su masa determina una intensa gravedad que influye sobre su entorno.
• Vida Efímera: A pesar de su tamaño, tienen una vida relativamente corta debido a la rapidez con la que consumen su combustible nuclear.
• Luminosidad Extrema: Al ser tan masivas, su emisión de luz y energía es colosal.
• Muerte Explosiva: Al final de su ciclo de vida, suelen terminar en espectaculares supernovas, dejando tras de sí un agujero negro o una estrella de neutrones.

El universo está formado por grandes redes de galaxias que se entrelazan de manera aleatoria. Sin embargo, hay un aspecto de este conglomerado que apenas fue descubierto a fines de los 70. Les hablo de los vacíos cósmicos, estructuras en forma de burbujas que no contienen nada en su interior y se esparcen por todo el espacio. Las mismas, al parecer, constituyen valiosas herramientas para desentrañar los misterios del universo. Te cuento cómo pueden ser útiles estos vacíos para la ciencia.

En presencia de grandes masas el Espacio-tiempo se curva

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Los dos grandes retos que los Astrónomos habían tenido desde siempre habían sido medir las distancias a las estrellas y averiguar su composición. Como sabéis, el primero de los problemas se solucionó al utilizar las Cefeidas, estrellas de brillo variable, como estándares. Estas estrellas habían sido estudiadas por la americana Henrietta Leavitt, y en 1912 había conseguido relacionar la magnitud absoluta (brillo intrínseco de una estrella) con el período de su oscilación luminosa. Para llegar al lugar de Observación, las cosas no eran fáciles y, los caminos que llevaban hasta el Observatorio eran peligrosos.

                                      Post Card

         P-69 Mount Wilson Observatory, CA

Teniendo en cuenta esta Ley, Edwin Hubble había detectado en 1925 en el Mount Wilson Observatory doce cefeidas en la “Nebulosa” de Andrómeda que las situaban a una distancia mayor que el tamaño de nuestra Galaxia. Esto rompía todas las expectativas, ya que en ese momento se pensaba que todo el Universo estaba contenido en la Vía Láctea.

Henrietta Swan Leavitt

Cada elemento químico  tiene un espectro único. Cada elemento produce su propio espectro, diferente al de cualquier otro elemento; esto significa que cada elemento tiene su propia firma espectral, a lo que también se conoce como su huella digital

Si el objeto se aleja se verá en rojo y si se acerca en azul

Así que el segundo reto había llevado a los astrónomos a estudiar el espectro de la luz que emiten las estrellas. Aunque en esa época la técnica espectroscópica era muy rudimentaria, comenzó a dar sus frutos. Uno de ellos vino de la mano de Vesto Slipher, quien en la conferencia que impartió en el Lowell Observatory de Flagstaff (Arizona), en junio de 1925, anunció que el espectro de la luz que había recogido en la mayor parte de las galaxias estaba desplazado hacia el rojo. No se sabía a ciencia cierta lo que esto podía significar, pero Harlow Shapley, apoyado en el Efecto Doppler, consideró que ese corrimiento hacia el rojo era consecuencia de que las galaxias se desplazaban.

Un Universo eterno en su evolución

Georges Lamaìtre irrumpió en ese escenario tímidamente, como un estudiante de postgrado. Había nacido a finales del siglo XIX en el sur de Bélgica. Era el mayor de cuatro hermanos. Su padre había estudiado Derecho en la Universidad de Louvain y tenía una fábrica de vidrio. Georges comenzó la carrera de Ingeniero de Minas en Lovaina, pero sus estudios se vieron interrumpidos al estallar la Primera Guerra Mundial, en la que participó como artillero. Al acabar el conflicto bélico, regreso a las Aulas, pero no para continuar sus estudios de Ingeniería, sino que, se matriculó de en el segundo ciclo de Física y Matemáticas. A su término, ingresó en el Seminario de Malinas y en 1923 recibió las Órdenes sagradas.

Georges Lemaître en 1933, durante una de sus exposiciones.

Su condición de sacerdote no le impidió continuar en su carrera científica y pidió ser admitido como estudiante investigador de Astronomía en el Royal Observatory de Greenwich para el curso 1923-24. Allí fue alumno de Eddintong, que le enseñó a conjugar la Astronomía con la Teoría de la Relatividad. No dejó de estar al día con todos y cada uno de los adelantos y experimentos que se realizaban en aquel campo de la Astronomía Cosmológica.

En 1926, el Jurado de su Doctorado le comunicó que su tesis contenían todos y cada uno de los requisitos exigidos para su admisión y, resaltaban su grado de madurez matemática. En 1927, publicó un trabajo en el que presentaba una solución a las ecuaciones de la Relatividad general y que explicaba el Universo en su Conjunto.

Cuando escribió el trabajo no tenía noticias de trabajos previos de Friedmann, pues estaban escritos en ruso o alemán, y ninguno de los modelos ni soluciones que conocía hasta entonces le convencían: el de Einstein contenía materia, pero era estático; el de De Sitter ajustando la constante cosmológica: un universo de simetría esférica era dinámico pero carecía de materia. Al considerar que la densidad de materia podía variar en el tiempo, Lamaítre propuso una solución intermedia entre la de Einstein y la de De Sitter ajustando la constante cosmológica: un universo de simetría esférica, eterno y en evolución. Con ese modelo no sólo buscaba una solución matemática correcta, sino que fuera compatible con la Física, al dar explicación a las observaciones astronómicas.

          Edwin Hubble

Años más tarde, Hubble hizo la misma propuesta que hoy conocemos como  Constante de Hubble. Así que, el trabajo de Lamaítre pasó muy desapercibido y ello, le obligó a darlo a conocer para que, al menos, se le diera el mérito a que era acreedor por justicia. Lamaítre consideró que el universo estaba en expansión exponencial con un pasado infinito, donde su tamaño, era casi constante en un primer momento, para luego crecer rápidamente.

Hubble era un hombre alto , elegante e imperioso, con una elevada opinión de su lugar potencial en la historia. Hubble lograba que todo lo que hacía pareciera hacerlo sin esfuerzo -había sido una gran figura del atletismo en pista, boxeador, becario en Oxford y abogado antes de ser astrónomo-, y una de las cosas que menor esfuerzo le costaba era enfurecer a Shapley. Hubble sacó docenas de fotografias de M33 y su vecina M31, la espiral de Andrómeda, y halló en ellas lo que más tarde llamó “densos enjambres de imágenes que en ningún aspecto difieren de las estrellas ordinarias”.

Mira, la estrella cometa

Fotografía cedida por la NASA y captada por el satélite “Galaxy Evolution Explorer” (Galex), que muestra una estela extraordinariamente larga, parecida a la de un cometa y procedente de la estrella “Mira”, que deja un rastro de 13 años luz o 20.000 veces la distancia media que separa a Plutón del Sol. Los responsables de la investigación coincidieron.

 

El dios hindú Siva

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Una nos habla del Cosmos y de como el espacio se curva ante la presencia de masas, la otra, nos habla de funciones de ondas, entrelazamientos cuánticos, de diminutos objetos que conforman la materia y hacen posibles los átomos y la vida.

Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “super-gravedad”, “super-simetría”, “supercuerdas” “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo o gran teoría unificada”.

La vida entre chinches del genio Perelman, el ruso que rechazó el millón de dólares del ‘nobel de las matemáticas’.

Los vecinos alucinados: “Que acepte y reparta la pasta, por lo menos”. Vive en el bloque de pisos donde reside con su madre en “el Bronx de San Petesburgo, y, en sus ratos libres, coge un canasto y un gancho y los vecinos lo ven caminar al campo para coger setas. Extraño personaje.

Uno de los logros más destacados de Perelman fue la resolución de la famosa Conjetura de Poincaré, un problema que desconcertó a los matemáticos durante más de un siglo y que se considera uno de los Problemas del Milenio, de hecho, el único de los siete que está resuelto.

Pero sigamos con lo que decíamos: “Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “super-gravedad”, “super-simetría”, “supercuerdas” “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo o gran teoría unificada”.”

Ahí tenemos unas matemáticas exóticas que ponen de punta hasta los pelos de las cejas de algunos de los mejores matemáticos del mundo (¿y Perelman? ¿Por qué nos se ha implicado?).  Hablan de 10, 11 y 26 dimensiones, siempre, todas ellas espaciales menos una que es la temporal.  Vivimos en cuatro: tres de espacio (este-oeste, norte-sur y arriba-abajo) y una temporal. No podemos, ni sabemos o no es posible instruir, en nuestro cerebro (también tridimensional), ver más dimensiones. Pero llegaron Kaluza y Klein y compactaron, en la longitud de Planck las dimensiones que no podíamos ver. ¡Problema solucionado!

La longitud de Planck (ℓ_P) u hodón (término acuñado en 1926 por Robert Lévi) es la distancia o escala de longitud por debajo de la cual se espera que el espacio deje de tener una geometría clásica. Una medida inferior previsiblemente no puede ser tratada adecuadamente en los modelos de física actuales debido a la aparición de efectos de Gravedad Cuántica.

¿Quién puede ir a la longitud de Planck para “verla”? A distancias comparables con la longitud de Planck, se cree que están sucediendo cosas muy curiosas que rebasan ampliamente los límites de nuestra imaginación. A diferencia de la filosofía reduccionista que propone que lo más complejo está elaborado -axiomáticamente- a partir de lo más elemental, lo que está sucediendo en la escala de Planck no parece tener nada de elemental o sencillo.

Qué es la longitud de Planck y por qué marca un límite en nuestra comprensión del Universo.

Al pensar en el Universo, nuestra mente tiende a irse a lo inimaginablemente inmenso, un espacio sin fronteras conocidas donde existe todo.

Sin embargo, es lo inimaginablemente diminuto lo que constituye las piedras angulares de esa inmensidad y ofrece la oportunidad de comprender cómo funciona.

Observando cómo se comportan sus componentes en las escalas más mínimas posibles podremos entender cómo se unen para crear este mundo y más.

Esa es una de las principales razones por las que hemos querido saber qué es lo más pequeño del mundo.

Y la respuesta a esa eterna pregunta ha evolucionado junto con la humanidad.

“La longitud de Planck es la única escala de distancias que puede obtenerse de manera natural a partir de las constantes de la naturaleza. Son varios los argumentos que implican que, a la escala de Planck, los efectos de la gravedad y los de la mecánica cuántica deberían combinarse, por lo que cualquier experimento que permitiesen explorar las leyes de la física a tales distancias supondría un avance tremendo en física teórica. El problema reside en su ínfimo valor, del orden de 10^-35metros. En los experimentos de física de partículas, sondear distancias cada vez más pequeñas requiere emplear energías más y más elevadas. Sin embargo, la energía necesaria para escudriñar la longitud de Planck se halla muchos órdenes de magnitud por encima de las posibilidades técnicas de los aceleradores presentes o futuros. La escala de distancias que podrá explorar el LHC, por ejemplo, puede estimarse en unos 10^-19 metros.”

 

 En ese lugar nos encontramos con una especie de espuma cuántica

Se cree que a esta escala la continuidad del espacio-tiempo en vez de ir marchando sincronizadamente al parejo con lo que vemos en el macrocosmos de hecho está variando a grado tal que a nivel ultra-microscópico el tiempo no sólo avanza o se detiene aleatoriamente sino inclusive marcha hacia atrás, una especie de verdadera máquina del tiempo. Las limitaciones de nuestros conocimientos sobre las rarezas que puedan estar ocurriendo en esta escala en el orden de los 10^-35 metros, la longitud de Planck, ha llevado a la proposición de modelos tan imaginativos y tan exóticos como la teoría de la espuma cuántica que supuestamente veríamos aún en la ausencia de materia-energía si fuésemos ampliando sucesivamente una porción del espacio-tiempo plano.

La exploración enigmática las dimensiones más altas. ¿No será otra solución como la que dió lugar al problema de la expansión de las galaxias, y, surgió la “materia oscura”?

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y, a los teóricos, se les regaló una herramienta maravillosa.  En el Hiperespacio, todo es posible.  Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí si es posible encontrar esa soñada teoría de la Gravedad cuántica.

Así que, los teóricos, se han embarcado a la búsqueda de un objetivo audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intenso calor del universo en sus primeros tiempos, una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas.  Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

¿Dónde radica el problema?

El problema está en que la única teoría candidata no tiene conexión directa con el mundo de la observación, o no lo tiene todavía si queremos expresarnos con propiedad. La energía necesaria para ello, no la tiene ni el nuevo acelerador de partículas LHC que mencioné en páginas anteriores.

La verdad es que, la teoría que ahora tenemos, el Modelo Estándar, concuerda de manera exacta con todos los datos a bajas energías y contesta cosas sin sentido a altas energías.

¡Necesitamos algo más avanzado!

Cada partícula tiene encomendada una misión, la de Higgs, ya sabemos lo que dicen por ahí.

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las Cuando su autor lanzó la idea al mundo, resultó además de nueva muy extraña.  El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resulto ser complejo lleno de esas infinitesimales partículas electromagnéticas que bautizamos con el nombre de electrones, resultó que tenía un núcleo que contenía, a pesar de ser tan pequeño, casi toda la masa del átomo.  El núcleo, tan pequeño, estaba compuesto de otros objetos más pequeños aún, los quarks que estaban instalados en nubes de otras partículas llamadas gluones y, ahora, queremos continuar profundizando, sospechamos, que después de los quarks puede haber algo más.

Bueno, la idea nueva que surgió es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes. Es decir, que si miramos a las estrellas en una noche clara estamos mirando el campo de Higgs.  Las partículas influidas por este campo, toman masa.  Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (gauge) de los que hemos comentado, del campo gravitatorio o del electromagnético.  Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquiriría energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra.

ADEMÁS DE SU BELLEZA… ¡DICEN TANTO CON TAN POCO!

Cuando los físicos hablan de la belleza de algunas ecuaciones, se refieren a las que, como ésta, dicen mucho con muy pocos caracteres. De hecho, puede que ésta sea la ecuación más famosa conocida en nuestro mundo.

Como E=mc², ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del Sistema Tierra-bloque de plomo.  Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein.  La masa, m, tiene en realidad dos partes.  Una es la masa en reposo, m₀, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo.  La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el acelerador de partículas, o los muones, que aumentan varias veces su masa cuando son lanzados a velocidades cercanas a c) o en virtud de su energía potencial de campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos.  Por ejemplo, si separamos el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Pero la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos familiares. La masa tomada de Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera toda la masa en reposo.  Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas.

Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones, nos recuerda el descubrimiento por Pieter Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo.  El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta hace bien poco no teniamos ni idea de que reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC cuando la buscaba). Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas -Las masas de los W⁺, W^–, y Z^º, y el up, el down, el encanto, el extraño, el top y el bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van de la del electrón 0’0005 GeV, a la del top, que tiene que ser mayor que 91 GeV.  Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil (Weinberg-salam).  Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnéticas y débiles.  En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa -los W⁺, W^–, Z^º y fotón que llevan la fuerza electrodébil.  Además está el campo de Higgs, y, rápidamente, los W y Z chupan la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa.  La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos.  Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil. Y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que Gerard ^t Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera esta libre de infinitos.

Pero, encierra tantos misterios la materia que, a veces me hace pensar en que la podríamos denominar de cualuquier manera menos de inerte ¡Parece que la materia está viva!

Son muchas las cosas que desconocemos y, nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas.

El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54) x 10^-31 Kg la primera y, 1,602 177 33 (49) x 10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico: r₀ = e²/mc² = 2’82 x 10^-13 m. No se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos cursiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

                  ¡No por pequeño, se es insignificante!

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones*.

Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de o, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín).  La única forma que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula Tau con sus correspondientes neutrinos: V_e, V_u y V_T.

Existen razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales.  Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

La fuerza electromagnética afecta los cuerpos eléctricamente cargados y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito.

La fuerza gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética.  Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/10³⁹ de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin descubrir) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón y, por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

De todos modos, el físico norteamericano Joseph Weber emprendió en 1.957 la formidable tarea de detectar el gravitón.  Llegó a emplear un par de cilindros de aluminio de 153 cm. De longitud y 66 de anchura, suspendidos de un cable en una cámara de vacío.  Los gravitones (que serían detectados en forma de ondas), desplazarían levemente esos cilindros, y se empleó un sistema para detectar el desplazamiento que llegare a captar la cienmillonésima parte de un centímetro.

Han llevado años captarlas, las ondas gravitatorias llevadas por el gravitón son débiles

Las débiles ondas de los gravitones, que producen del espacio profundo, deberían chocar contra todo el planeta, y los cilindros separados por grandes distancias se verán afectados de forma simultánea.  En 1.969, Weber anunció haber detectado los efectos de las ondas gravitatorias.  Aquello produjo una enorme excitación, puesto que apoyaba una teoría particularmente importante (la teoría de Einstein de la relatividad general).  Desgraciadamente, nunca se pudo comprobar mediante las pruebas realizadas por otros equipos de científicos que duplicaran el hallazgo de Weber.

De todas formas, no creo que, a estas alturas, nadie pueda dudar de la existencia de los gravitones, el bosón mediador de la fuerza gravitatoria.  La masa del gravitón es o, su carga es o, y su espín de 2.  Como el fotón, no tiene antipartícula, ellos mismos hacen las dos versiones.

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 contrario), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

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

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transporta 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,  es la escala de longitud por debajo de la cual el 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^-66cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío, esas oscilaciones aleatorias, impredecibles que no se pueden eliminar 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.

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 finita.  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 (vació θ) que, es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs).

El vacío theta es el punto de partida para comprender el estado de vacío de las teoría gauge fuertemente interaccionantes, como la cromodinámica cuántica. 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 fundón de Bloch* en un cristal.

Se puede derivar tanto como un resultado general o bien usando técnicas de instantón.  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.

Nos podríamos preguntar miles de cosas que no sabríamos contestar.  Nos maravillan y asombran fenómenos naturales que ocurren ante nuestros ojos pero que tampoco sabemos, en realidad, a que son debidos.  Si, sabemos ponerles etiquetas como, por ejemplo, la fuerza nuclear débil, la fisión espontánea que tiene lugar en algunos elementos como el protactinio o el torio y, con mayor frecuencia, en los elementos que conocemos como transuránicos y que son:

• 93 neptunio Np
• 94 plutonio Pu
• 95 americio Am
• 96 curio Cm
• 97 berkelio Bk
• 98 californio Cf
• 99 einstenio Es
• 100 fermio Fm
• 101 mendelevio Md
• 102 nobelio No
• 103 lawrencio Lr
• elementos transactínidos
  • 104 rutherfordio Rf
  • 105 dubnio Db
  • 106 seaborgio Sg
  • 107 bohrio Bh
  • 108 hassio Hs
  • 109 meitnerio Mt
  • 110 darmstadtio Ds
  • 111 roentgenio Rg
  • 112 copernicio Cn
  • 113 nihonio Nh
  • 114 flerovio Fl
  • 115 moscovio Mc
  • 116 livermorio Lv
  • 117 teneso Ts
  • 118 oganesón Og

Los elementos transuránicos o elementos transuránidos son elementos químicos con número atómico mayor que 92, el número atómico del elemento uranio. ​ El nombre de trans-uránidos significa «más allá del uranio». Posición en la tabla periódica del uranio.

A medida que los núcleos se hacen más grandes, la probabilidad de una fisión espontánea aumenta.  En los elementos más pesados de todos (einstenio, fermio y mendelevio), esto se convierte en el método más importante de ruptura, sobre pasando a la emisión de partículas alfa.

Emilio Silvera Vázquez

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Es cierto que la tecnología no deja de avanzar, y,. cuanto más logros alcanzamos, más rápidamente avanzará. Sin embargo, en la persecución de esa imagen del comienzo del Universo… ¡Pocas esperanzas tenemos de lograrla! Siendo cierto que  el avance exponencial de la tecnología es un hecho, también lo es que el Universo no deja de expandirse, lo que crea una especie de horizonte que nos impide “ver” ese comienzo.

Hablamos del “Borde” del Universo, del Big Bang, de la “materia y energía oscura”… ¿Pero son ciertas todas esas cuestiones (como otras muchas de las que hemos sacado a la luz por simples conjeturas y sin tener la más mínima prueba de la sus existencias?

Así somos, siempre hicimos lo mismo, cuando no sabemos conjeturamos y construimos teorías que, unas veces han sido confirmadas y otras han quedado hundidas en la niebla de nuestra ignorancia.

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