“Inicialmente, se presenta, de modo simplificado, el Modelo Estándar como una teoría sofisticada que identifica las partículas elementales y sus interacciones. Después, en el ámbito de esa teoría, se enfocan aspectos – el vacuo no es vacío; partículas desnudas y vestidas; materia oscura y viento oscuro; materia y antimateria; el campo y el bosón de Higgs; neutrinos oscilantes – que pueden ser motivadores desde el punto de vista de la enseñanza y del aprendizaje de la Física. Finalmente, se discute la probable superación de esa teoría por otra más completa.”
Los leptones sólo interaccionan entre sí mediante fuerzas débiles y/o electromagnéticas. Los quarks, sin embargo, interaccionan por cualquiera de las tres fuerzas indicadas. Y, en todo ésto, la gravedad está ausente y hace que la teoría esté incompleta. De todas las maneras, no debemos quitar mérito a tan compleja construcción de la mente humana que tan buenos resultados nos ha dado.
Gordon Kane, un físico teórico de la Universidad de Michigan nos dice:
“… el Modelo Estándar es, en la historia, la más sofisticada teoría matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de acuerdo con sus reglas y ecuaciones.”
De acuerdo con el Modelo Estándar, leptones y quarks son partículas verdaderamente elementales, en el sentido de que no poseen estructura interna. Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: bariones cuando están formadas por tres quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un quark y un antiquark.
Pero ¿cómo se da la interacción? ¿Quién “transmite el mensaje” de la fuerza entre las partículas que interactúan? Eso nos lleva a las partículas mediadoras o partículas de fuerza o, también, partículas virtuales.
Las interacciones fundamentales tienen lugar como si las partículas que interactúan “intercambiasen” otras partículas entre sí. Esas partículas mediadoras serían los fotones en la interacción electromagnética, los gluones en la interacción fuerte, las partículas W y Z en la interacción débil y los gravitones (aún no detectados) en la interacción gravitacional. Es decir, partículas eléctricamente cargadas interactuarían intercambiando fotones, partículas con carga color interactuarían intercambiando gluones, partículas con carga débil intercambiarían partículas W y Z, mientras que partículas con masa intercambiarían gravitones.
Las partículas mediadoras pueden no tener masa, pero tienen energía, o sea, son pulsos de energía. Por eso, se llaman virtuales. De los cuatro tipos de partículas mediadoras8, las del tipo W y Z tienen masa, pero es común que todas sean llamadas partículas virtuales.
¡Pero faltan los campos! Los cuatro campos. Sabemos que un cuerpo con masa crea alrededor de sí un campo gravitacional, un campo de fuerza que ejerce una fuerza sobre otro cuerpo masivo y viceversa. Análogamente, un cuerpo cargado eléctricamente, crea un campo electromagnético (si está en reposo, se percibe sólo su componente eléctrico, si está en movimiento se manifiesta también el componente magnético) y ejerce una fuerza electromagnética sobre otro cuerpo electrizado y viceversa.
El problema en esa bella simetría de cuatro cargas, cuatro interacciones, cuatro fuerzas, cuatro tipos de partículas mediadoras y cuatro campos es que aún no hemos podido detectar ningún gravitón y la gravedad, en sí, no encaja bien en esa teoría llamada Modelo Estándar.
¿Once dimensiones? ¿Dónde están? Dicen que compactadas en el límite de Planck, lugar inaccesible
La Física actual busca una teoría más amplia que el modelo estándar . Una teoría que dé una descripción completa, unificada y consistente de la estructura fundamental del universo. ¿Será la compleja Teoría de cuerdas,que integra también la interacción gravitaroria?
El modelo estándar es una poderosa herramienta pero no cumple todas las expectativas; no es un modelo perfecto. En primer lugar, podríamos empezar por criticar que el modelo tiene casi veinte constantes que no se pueden calcular. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de todos estos parámetros o números inexplicables y sus valores, pero el problema de todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca han sido enteramente convincentes. ¿Por qué se iba a preocupar la naturaleza de una fórmula mágica si en ausencia de tal fórmula no hubiera contradicciones? Lo que realmente necesitamos es algún principio fundamental nuevo, tal como el principio de la relatividad, pero no queremos abandonar todos los demás principios que ya conocemos. Ésos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del modelo estándar. El mejor lugar para buscar un nuevo principio es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría y, construímos máquinas como el LHC para que nos diga lo que no sabemos.
Una regla universal en la física de partículas es que para partículas con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructuras cada vez más pequeñas en el espacio y en el tiempo. El modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero existen varias razones para sospechar que sus predicciones pueden, finalmente (cuando podamos emplear más energía en un nivel más alto), resultar equivocadas.
Vistas a través del microscopio, las constantes de la naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático no hay nada que objetar, pero la credibilidad del modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas, o lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas. ¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta aquí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables. ¿Dónde está la partícula de Higgs? ¿Cómo se esconde de nosotros el gravitón?
Parece que el Modelo estándar no admite la cuarta fuerza y tendremos que buscar más profundamente, en otras teorías que nos hablen y describan además de las partículas conocidas de otras nuevas que están por nacer y que no excluya la Gravedad. Ese es el Modelo que necesitamos para conocer mejor la Naturaleza.
Claro que las cosas no son tan sencilla y si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste de las constantes de la naturaleza, creamos un nuevo problema: ¿cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste fino no sea necesario? Está claro que las modificaciones son necesarias, lo que implica que muy probablemente haya un límite más allá del cual el modelo tal como está deja de ser válido. El modelo estándar no será nada más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, de forma que todos los fenómenos que hemos observado hasta el presente están reflejados en él, pero cada vez que se pone en marcha un aparato más poderoso, tenemos que estar dispuestos a admitir que puedan ser necesarias algunas modificaciones del modelo para incluir nuevos datos que antes ignorábamos.
Más allá del modelo estándar habrá otras respuestas que nos lleven a poder hacer otras preguntas que en este momento, no sabemos ni plantear por falta de conocimientos. Si no conociéramos que los protones están formados por Quarks, ¿cómo nos podríamos preguntar si habrá algo más allá de los Quarks?
El gobierno de Estados Unidos, después de llevar gastados miles de millones de dólares, suspendió la construcción del supercolisionador superconductor de partículas asestando un duro golpe a la física de altas energías, y se esfumó la oportunidad para obtener nuevos datos de vital importancia para el avance de este modelo, que de momento es lo mejor que tenemos.
Se han estado inventando nuevas ideas, como la supersimetría y el technicolor. Los astrofísicos estarán interesados en tales ideas porque predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas, y también varios tipos de partículas que interaccionan ultradébilmente, los technipiones. Éstas podrían ser las WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles, o Partículas Masivas Débilmente Interactivas) que pueblan los huecos entre las galaxias, y serían así las responsables de la masa perdida que los astrofísicos siguen buscando y llaman “materia oscura”.
Que aparezcan “cosas” nuevas y además, imaginarlas antes, no es fácil. Recordemos cómo Paul Dirac se sintió muy incómodo cuando en 1931 dedujo, a partir de su ecuación del electrón, que debería existir una partícula con carga eléctrica opuesta. Esa partícula no había sido descubierta y le daba reparo perturbar la paz reinante en la comunidad científica con una idea tan revolucionaria, así que disfrazó un poco la noticia: “Quizá esta partícula cargada positivamente, tan extraña, sea simplemente el protón”, sugirió. Cuando poco después se identificó la auténtica antipartícula del electrón (el positrón) se sorprendió tanto que exclamó: “¡Mi ecuación es más inteligente que su inventor!”. Este último comentario es para poner un ejemplo de cómo los físicos trabajan y buscan caminos matemáticos mediante ecuaciones de las que, en cualquier momento (si están bien planteadas), surgen nuevas ideas y descubrimientos que ni se podían pensar. Así pasó también con las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, donde Schwarzschild dedujo la existencia de los agujeros negros.
Se piensa que al principio del comienzo del tiempo, cuando surgió el Big Bang, las energías eran tan altas que allí reinaba la simetría total; sólo había una sola fuerza que todo lo englobaba. Más tarde, a medida que el universo se fue expandiendo y enfriando, surgieron las cuatro fuerzas que ahora conocemos y que todo lo rigen. Tenemos los medios, en los supercolisionadores de partículas, para viajar comenzando por 1.000 MeV, hasta finalizar en cerca de 1019 MeV, que corresponde a una escala de longitudes de aproximadamente 10–30 cm. Howard Georgi, Helen Quinn y Steven Weinberg descubrieron que ésta es la región donde las tres constantes de acoplamiento gauge se hacen iguales (U(1), SU(2) y SU(3)); resultan ser lo mismo. ¿Es una coincidencia que las tres se hagan iguales simultáneamente? ¿Es también una coincidencia que esto suceda precisamente en esa escala de longitud? Faltan sólo tres ceros más para alcanzar un punto de retorno. Howard Georgi y Sheldon Glashow descubrieron un modelo genuinamente unificado en el dominio de energías de 1019 MeV tal que, cuando se regresa de allí, espontáneamente surgen las tres fuerzas gauge tal como las conocemos. De hecho, ellos encontraron el modelo; la fórmula sería SU(5), que significa que el multiplote más pequeño debe tener cinco miembros.
Materia y Energía Oscura… Un Misterio…Sin resolver.
Y, a todo esto, ¿dónde está esa energía oculta? ¿Y donde la materia? Podemos suponer que la primera materia que se creo en el Universo fue la que llamamos (algún nom,bre había que ponerle) “Materia Oscura”, esa clase de Ilem o sustancia primera del Universo que mejor sería llamarla invisible, ya que, de no ser así, difícil sería explicar cómo se pudieron formar las primeras estrellas y galaxias de nuestro Universo, ¿dónde está el origen de la fuerza de Gravedad que lo hizo posible, sino en esa materia escondida?
¡Lo dicho! Necesitamos saber, y, deseo que de una vez por todas, se cumpla lo que dejó dicho Hilbert en su tumba de Gotinga (Alemania): “Tenemos que saber, ¡sabremos!. Pero…
“Hace unos días, cerca de Cessy (Francia), una mujer paseaba con su perro ajena a lo que se cocía bajo sus pies. Era un entorno idílico. Campos verdes con nieve en las umbrías, granjas de vacas y los Alpes recortados en el horizonte. Mientras, a 100 metros bajo tierra, cientos de operarios, ingenieros y físicos hacían los últimos ajustes para encender la mayor máquina del mundo, capaz de reproducir lo que pasó en el universo poco después del Big Bang.
Vista lateral del experimento CMS, uno de los mayores del CERN
Por aquel entonces se decía:
“El Gran Colisionador de Hadrones, o LHC, en la frontera entre Francia y Suiza, volverá a funcionar a finales de mes de Abril de 2015. Los físicos llaman a estas puestas en marcha runs. En la primera ya se consiguió todo un récord mundial con el descubrimiento del bosón de Higgs. Lo que depara esta segunda, que durará hasta 2018, no lo sabe nadie. Tras un tiempo de reparación y acondicionamiento el acelerador va a funcionar al doble de potencia y cruzará una frontera de la física nunca antes traspasada. ¡Veremos que nos encontramos! Incluso podría ser alguna sorpresa ¿desagradable?
El Large Hadron Collider (LHC) que hace tres años nos sorprendía con la confirmación de la existencia del bosón de Higgs, Después de aquello volvió a tener una parada para revisiones y pronto los protones volverán a circular por este túnel de 27 kilómetros de longitud, preparados para ofrecernos nuevos hallazgos científicos. Bueno, eso dicen los del LHC que se empeñan en buscar partículas de materia oscura que llaman WIMPs, cuando no sa sabe ni si la “materia oscura” existe en realidad. Es toda una paradoja el que una maquinaria tan enormemente grande que dispone de tan descomunal energía, se disponga a realizar experimentos en busca de la “nada”, ya que, lo cierto es que no saben ni si encontraran alguna cosa.”
Nuevos detectores nos darán mucha más información
Este último parón ha servido para que los ingenieros a cargo del CERN hayan realizado importantes mejoras en esta estructura, y pronto funcionará con el doble de energía de lo que lo había hecho en el pasado ciclo de experimentos. De momento el LHC está “calentando motores”, y las colisiones no comenzarán a tener lugar hasta dentro de cuatro meses.
Los protones que se están inyectando ya en ese particular circuito lo están haciendo a una energía relativamente pequeña, pero en los próximos meses los ingenieros esperan ir incrementando la energía y hacer que esta llegue a los 13 teraelectronvoltios (TeV). Al incrementar el número de protones aumentará el número de colisiones y la temperatura, y a finales de Abril de 2.016 se espera que la energía de las partículas que circulen en el interior del LHC alcance su pico.
El descubrimiento del bosón de Higgs fue crucial para “completar” la formulación del modelo estándar de la física de partículas, pero dicha teoría está aún incompleta, y otra teoría llamada supersimetría sugiere que hay una partícula aún no descubierta que acompaña a cada una de las existentes en el modelo estándar. Estas son algunas de las partículas que los científicos esperan detectar en la nueva ronda de experimentos, y sobre todas ellas destaca la partícula de materia oscura, que según los físicos constituye el 26% del universo.
Datos de mayo de 2004. La zona verde representa el resultado del experimento DAMA, en comparación con los límites de precisión de los experimentos CDMS y EDELWEISS.
“El CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), situado en la mina Soudan (Minnesota, Estados Unidos), utiliza una técnica basada en el almacenamiento de cristales de germanio y silicio a una temperatura muy fría. Los cristales, que tienen un tamaño similar al de un disco de hockey, son enfriados a la temperatura de 50 milikelvin (0,05 K). Esta temperatura tan cercana al cero absoluto hace que los átomos del cristal vibren muy lentamente, por lo que, si cualquier WIMP impactara contra un átomo del cristal, se produciría una onda de sonido, pues el átomo que recibe el impacto desplaza en su vibración a los átomos de su alrededor, tarea de la que se encarga una capa de metal (aluminio y tungsteno). Este tungsteno se encuentra a una temperatura crítica, por lo que ejerce de superconductor, y las vibraciones que se generan en el cristal calientan la capa de metal, que se detecta a través del cambio en la resistencia del mismo.”
Sí los WIMPS han sido buscados por muchos y de muchas maneras pero, sin encontrarlos hasta el momento y en ello está empeñado el LHC que cuenta con más potencia que otros experimentos.
los WIMPs, si finalmente resultan ser las partículas responsables de la “materia oscura” no bariónica ( si es que realmente existen), deberían tener propiedades muy concretas al hacer “imposible” o “difícil” que no podamos verla a pesar de que conforma una gran parte de la masa del Universo, no interacciona mediante la fuerza electromagnética, lo que nos lleva a pensar que son neutras y, sin embargo, sí parece que emitan fuerza gravitatoria… ¡Es todo tan raro!
En física, el consenso científico es que la materia oscura existe con una certeza del 100% (Bueno, yo no entro en ese 100 x 100 y soy muy exeptico en cuanto a la existencia de materia oscura a la que se agarran los cosmólogos como el ahogado a un clavo ardiendo, ya que, no saben, por qué las galaxias se alejan unas de otras a tanta velocidad y lo mismo las estrellas en las galaxias, y, la explicación más fácil para ellos… ¡la materia oscura”. Sabemos que interacciona muy poco con la materia ordinaria, por ello detectarla es extremadamente difícil, pero la estamos buscando con ahínco y tesón en un rango de 90 órdenes de magnitud. Has leído bien, buscamos una partícula con una masa entre los yocto-gramos y los yotta-gramos. La hemos descartado en muchos lugares, pero hay muchos otros en los que aún podría esconderse.
yotta-gramos
Uno de los grandes objetivos del LHC Run 2 es buscar una partícula candidata a la materia oscura si es que hay alguna que esté a su alcance. No sabemos si está a su alcance. Pero no perdemos la esperanza de que la encuentre.
“La materia oscura es un corpúsculo (si es macroscópico) o una partícula (si es microscópica) neutro (para la carga eléctrica y para la carga de color), que tiene una vida media muy larga y que interacciona débilmente con la materia ordinaria, quizás sólo gracias al bosón de Higgs. Uno de los objetivos del LHC Run 2 es explorar la búsqueda de una partícula de materia oscura en un pequeño rango de energías (la escala débil entre cientos y miles de GeV). Nos gusta creer que hay muchas razones físicas por las cuales debería esconderse en dicha escala. Pero la Naturaleza es sutil, aunque no perversa. Igual que el borracho que ha perdido sus llaves al entrar en casa de noche las busca debajo de la farola, donde hay luz, aunque esté a unos metros de distancia, buscamos la partícula donde podemos hacerlo. Y nuestra esperanza es encontrarla, pero si no la encontramos allí, como somos tercos, seguiremos buscándola.”
Como veréis, estos hablan de las partículas y de la materia oscura como si fueran objetos familiares con los que estamos a diario interaccionando, cuando en realidad, todo son hipótesis y creencias asentadas a través de indicios y conexiones “lógico-mentales” que no sabemos, aún, si van en la buena dirección.
¡Ya veremos que pasa! Me gustaría que acertaran y aparecieran los dichos WIMPs, confirmando todas esas teorías, así podríamos comenzar la búsqueda de otras partículas que, como el Gravitón, están por ahí perdidas y tampoco podemos encontrarla.
Como tantas veces he referido en otras ocasiones, cuando se habla de la “materia oscura”, me viene a la memoria lo que dijo aquel Físico premio Nobel que era de Holanda:
“La Materia Oscura es la alfombra bajo la cual, los cosmólogos barren su ignorancia”.
Una señal de un experimento húngaro de física apunta a la posibilidad de que exista una fuerza fundamental de la Naturaleza más allá de las cuatro que conocemos hasta el momento.
“Todos, aunque no tengamos ni idea de física, hemos experimentado los efectos de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. La gravedad nos pega al suelo, la interacción nuclear fuerte se rompe a base de bombardeos con neutrones para producir energía en las centrales atómicas, la radiación electromagnética que generan el Sol o las bombillas nos ilumina y la interacción nuclear débil, quizá la más esotérica, produce nuevos elementos y permite, por ejemplo, la datación por Carbono 14.”
La Tierra rodeada de filamentos de “materia oscura”, según una hipótesis para explicar qué es NASA/JPL-Caltech
Con estos antecedentes, cuando desde principios de este año comenzó a hablarse del posible descubrimiento de una quinta fuerza, muchos trataron de imaginar un fenómeno parecido que se nos hubiese podido escapar. Sin embargo, aún queda mucho para poder confirmar el hallazgo y los efectos de esa quinta fuerza no serían tan evidentes como los de las cuatro anteriores.
Varios experimentos en todo el mundo podrían confirmar o descartar la existencia de esta quinta fuerza
Si al final tiene éxito y no queda aplastada por nuevos datos que la refuten, la historia de esta revolución comenzará a contarse en Hungría. Allí, en el Instituto para la Investigación Nuclear de la Academia Húngara de ciencias en Debrecen, Attila Krasznahorkay y su equipo observaron un fenómeno extraño en un experimento diseñado para buscar “fotones oscuros”, un tipo de partículas que ayudarían a entender qué es la materia oscura. En su búsqueda, disparaban protones a unas dianas de litio, generando núcleos de berilio 8, un elemento inestable que, por efecto de la fuerza nuclear débil, se desintegraba produciendo electrones y positrones.
Buscando entre las partículas producidas en esos choques, encontraron una anomalía que solo eran capaces de explicar si existiese una partícula aún desconocida. Se trataría de un bosón ligero, solo 34 veces más pesado que un electrón, algo que permitiría su detección sin una máquina descomunal como el LHC, necesaria para generar bosones pesados como el higgs. Eso haría asequible para muchos grupos del mundo el estudio de ese rango energético en busca de la nueva partícula, pero también plantea la cuestión de por qué no se ha encontrado antes.
Físicos de la Universidad de California sugieren que el trabajo realizado por un equipo en Hungría el año pasado podría haber revelado la existencia de una quinta fuerza de la naturaleza.
Aquel estudio, como es natural, causó un gran revuelo en la comunidad de la Física, que tiene a varios grupos que se han fijado la meta de reproducir los experimentos realizados por el equipo de la del Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Húngara de Ciencias.
El trabajo húngaro ganó relevancia internacional cuando un grupo de físicos teóricos de la Universidad de California en Irvine liderado por Jonathan Feng tomó sus datos y trató de explicar su significado en un reciente artículo publicado en la revista Physical Review Letters. Según ellos, no se trataría de un fotón oscuro, sino de un bosón. El motivo por el que no se habría encontrado hasta ahora, pese a que hay aceleradores capaces de generar partículas de esa masa desde los años cincuenta, es que no interactuaría con protones, y solo se relacionaría con electrones y fotones de una forma débil. Ahora que otros grupos saben dónde buscar, podrán dedicar sus experimentos a la búsqueda de nuevos datos que confirmen o descarten la existencia del bosón X.
¿Podría estar el Universo lleno de fotones oscuros que tienen masa?
¿Son los fotones oscuros portadores de la quinta fuerza del Universo?
Un experimento de científicos del CERN trata de dar caza a estas elusivas partículas, que serían emitidas por la materia oscura
¿Qué? Pero, ¿no decían que la “materia oscura” no emite radiación y sí Gravedad?
Y, aparte de que se desdicen, seguimos divagando…
“La nueva partícula podría servir para elaborar una teoría unificada que explicase todas las fuerzas conocidas”
“Con los experimentos que hay en marcha y los que están a punto de arrancar, se podrá comprobar en uno o dos años si esa partícula existe”, señala Eduard Massó, catedrático de Física Teórica en la Universidad Autónoma de Barcelona. No obstante, Massó recuerda que la experiencia muestra que a veces hay señales de física exótica que al final son efectos de los propios experimentos que no se han interpretado bien. Sobre la posibilidad real de que la señal observada por el equipo húngaro se confirme como el indicio de esa nueva fuerza de la naturaleza, otro físico responde con humor: “Hay rumores sobre la existencia de un templo oculto en las profundidades del Himalaya, dedicado únicamente a servir de mausoleo a las quintas fuerzas difuntas”.
El escepticismo sobre los resultados del grupo húngaro se alimenta además por dos anuncios previos que acabaron en nada. Según contaba a la revista Quanta el investigador de la Universidad del Estado de Míchigan (EE. UU.) Oscar Naviliat Cuncic, en 2008 afirmaron haber descubierto un bosón de 12 mega-electronvoltios y en 2012 otro de 13,5. Ambos hallazgos desaparecieron cuando se obtuvieron nuevos datos con mejores detectores.
El año pasado, un equipo de físicos nucleares en Hungría observaron una anomalía en las desintegraciones de átomos excitados de berilio-8 -en las que se produjeron inesperados pares de partículas con un ángulo particular de separación. El bache en los datos de los físicos era inconfundible, con probabilidades de menos de uno de cada 100 mil millones que surgieran por casualidad. Informaron de la anomalía en Physical Review Letters en enero, en ese entonces, los investigadores argumentaron que podría significar la existencia de una nueva partícula fundamental. Pero al principio, pocos se dieron cuenta del descubrimiento.
Lo que pasaría si se encuentra
A la espera de que la comunidad científica averigüe si el bosón X es o no una realidad, Massó adelanta qué significaría esa quinta fuerza que, en principio, no tendría una influencia tan evidente en nuestra vida como las cuatro que conocemos hasta ahora. “En el nivel más entusiasta, encontrar esta partícula que se acopla de una forma tan precisa y tan especial a las otras partículas, supondría una revolución. Sería la punta del iceberg de una nueva física, porque existe la posibilidad de que la materia oscura tenga interacciones más allá de las gravitacionales, que no nos dan mucha información sobre esas partículas”, indica. “Muchos experimentos para buscar la materia oscura no han dado los resultados esperados y es posible que sea algo muy diferente de lo que se había supuesto. Es posible que sean partículas de lo que a veces se llama un mundo shadow [de sombra] que contactaría con el nuestro a través de unas interacciones mediadas por esa quinta fuerza, que sería como un puente entre nuestro mundo y el de la materia oscura”, plantea.
Sorprendentemente, mientras que se necesitaba un mayor super-colisionador del mundo para producir el bosón de Higgs pesado, el hipotético bosón de Hungría es tan ligero, con un peso de sólo 34 veces el peso del electrón, que podría haber aparecido en los experimentos hace décadas. Si realmente existe, ¿Cómo ha pasado desapercibido durante tanto tiempo? La mayoría de los expertos se mantienen escépticos hasta que se presenten nuevas prueba en la fisíca de partículas – incluso para Feng, “es una presión enorme decir que una quinta fuerza ha sido descubierta, y reconoce que, obviamente, es necesario comprobarlo.
En un segundo escenario, es posible que “esta quinta fuerza no tenga consecuencias para nuestra vida”, apunta Massó. Sin embargo, podría servir para acercarse a una teoría que unifique las cuatro grandes fuerzas, algo a lo que Einstein dedicó los últimos años de su vida. Aunque en los años sesenta se vio que a altas energías las fuerzas electromagnética y nuclear débil se podrían explicar como una sola, los esfuerzos para hacer lo mismo con el resto no han tenido éxito. Quizá este nuevo bosón podría servir para lograr lo que no consiguió el descubridor de la Relatividad.
El 21 de diciembre de 2010 científicos estadounidenses descubrieron “un vimana atrapado en un pozo del tiempo“ (un campo gravitatorio electromagnético, que sólo puede ocurrir en una dimensión invisible del espacio) en la ciudad de Balkh, Afganistán, lugar que alguna vez Marco Polo catalogó como: “Una de las ciudades más nobles y grandiosas del mundo”.
Los intentos por retirar el misterioso Vimana de la cueva donde había estado oculto durante por lo menos 5.000 años, causaron la “desaparición” de por lo menos 8 soldados norteamericanos, atrapados por el vórtex temporal ( nuestros cuerpos no pueden desplazarse como si nada del presente al futuro y del futuro al pasado sin cargarse el peso destructivo de las leyes de la fìsica, salvo si se logra bloquear el campo magnético, algo que aparentemente los científicos norteamericanos tardaron ocho cadáveres en descubrir y solucionar, probablemente con jaulas de Faraday ).
La existencia de este tipo de fenómenos no está demostrado por los científicos (caso contrario estaríamos hablando de leyes), pero los físicos teóricos coinciden en general que podrían ser posibles si se acepta la teoría del Multi-universo (un universo de por lo menos 11 dimensiones espaciotemporales) como estructura lógica y matemática. Atravesando esa especie de plasma líquido, nos podríamos trasladar a otros mundos, a otras galaxias.
Theodor Kaluza, ya en 1921 conjeturaba que si ampliáramos nuestra visión del universo a 5 dimensiones, entonces no habría más que un solo campo de fuerza: la gravedad, y lo que llamamos electromagnetismo sería tan sólo la parte del campo gravitatorio que opera en la quinta dimensión, una realidad espacial que jamás reconoceríamos si persistiéramos en nuestros conceptos de realidad lineal, similar a un holograma.
Bueno, independientemente de que todo esto pueda ser una realidad, lo cierto es que, nosotros, ahora en nuestro tiempo, hablamos de un universo con más dimensiones y, la carrera de las más altas dimensiones la inicio (como arrtiba se menciona) en el año 1919 (no el 1921) por Theodor Kaluza, un oscuro y desconocido matemático, cuando le presentó a Einstein mediante un escrito una teoría unificada que podía unificar, las dos grandes teorías del momento, la Relatividad General con el Magnetismo y podía realizarse si elaboraba sus ecuaciones en un espacio-tiempo de cinco dimensiones.
Teoría de la Relatividad de Kaluza
Así estaban las cosas cuando en 1.919 recibió Einstein un trabajo de Theodor Kaluza, un privatdozent en la Universidad de Königsberg, en el que extendía la Relatividad General a cinco dimensiones. Kaluza consideraba un espacio con cuatro dimensiones, más la correspondiente dimensión temporal y suponía que la métrica del espacio-tiempo se podía escribir como:
Theodor Kaluza
En 1921, Einstein presentó en la Academia Prusiana un artículo de Theodor Kaluza… en el que el campo gravitacional y electromagnético están unificados geométricamente en cinco dimensiones.
Así que, como hemos dicho, ese mismo año, Oskar Klein publicaba un trabajo sobre la relación entre la teoría cuántica y la relatividad en cinco dimensiones. Uno de los principales defectos del modelo de Kaluza era la interpretación física de la quinta dimensión. La condición cilíndrica impuesta ad hoc hacía que ningún campo dependiera de la dimensión extra, pero no se justificaba de manera alguna.
Klein propuso que los campos podrían depender de ella, pero que ésta tendría la topología de un círculo con un radio muy pequeño, lo cual garantizaría la cuantización de la carga eléctrica. Su diminuto tamaño, R5 ≈ 8×10-31 cm, cercano a la longitud de Planck, explicaría el hecho de que la dimensión extra no se observe en los experimentos ordinarios, y en particular, que la ley del inverso del cuadrado se cumpla para distancias r » R5. Pero además, la condición de periodicidad implica que existe una isometría de la métrica bajo traslaciones en la quinta dimensión, cuyo grupo U(1), coincide con el grupo de simetría gauge del electromagnetismo.
Einstein al principio se burló de aquella disparatada idea pero, más tarde, habiendo leido y pensado con más atenci`´on en lo que aquello podía significar, ayudó a Kaluza a publicar su idea de un mundo con cinco dimensiones (allí quedó abierta la puerta que más tarde, traspasarían los teóricos de las teorías de más altas dimensiones). Algunos años más tarde, , el físico sueco Oskar Klein publicó una versión cuántica del artículo de Kaluza. La Teoría Kaluza-Klein que resultó parecía interesante, pero, en realidad, nadie sabía que hacer con ella hasta que, en los años setenta; cuando pareció beneficioso trabajar en la supersimetría, la sacaron del baúl de los recuerdos, la desempolvaron y la tomaron como modelo.
Pronto, Kaluza y Klein estuvieron en los labios de todo el mundo (con Murray Gell-Mann, en su papel de centinela lingüistico, regañando a sus colegas que no lo sabían pronunciar “Ka-wu-sah-Klein”.
Pero, ¿Existen en nuestro Universo dimensiones ocultas?
Aunque la teoría de cuerdas en particular y la supersimetría en general apelaban a mayores dimensiones, las cuerdas tenían un modo de seleccionar su dimensionalidad requerida. Pronto se hizo evidente que la Teoría de cuerdas sólo sería eficaz, en dos, diez y veintiséis dimensiones, y sólo invocaba dos posibles grupos de simetría: SO(32) o E8 x E8. Cuando una teoría apunta hacia algo tan tajante, los científicos prestan atención, y a finales de los años ochenta había decenas de ellos que trabajaban en las cuerdas. Por aquel entonces, quedaba mucho trabajo duro por hacer, pero las perspectivas era brillantes. “Es posible que las décadas futuras -escribieron Schwarz y sus colaboradores en supercuerdas Green y Edward Witten- sea un excepcional período de aventura intelectual.” Desde luego, la aventura comenzó y, ¡qué aventura!
La Constante de Estructura Fina (α)
Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la naturaleza (así lo creían Einstein y Planck). Si se duplica el valor de todas las masas no se puede llegar a saber, porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.
Puesto que el radio de compactificación es tan pequeño, el valor típico de las masas será muy elevado, cercano a la masa de PlanckMp = k-12 = 1’2 × 1019 GeV*, y por tanto, a las energías accesibles hoy día (y previsiblemente, tampoco en un futuro cercano – qué más quisieran E. Witten y los perseguidores de las supercuerdas -), únicamente el modo cero n = 0 será relevante. Esto plantea un serio problema para la teoría, pues no contendría partículas ligeras cargadas como las que conocemos.
¿Y si llevamos a Kaluza-Klein a dimensiones superiores para unificar todas las interacciones?
En este proceso llamado desintegración beta y debido a la interacción débil, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un (anti)neutrino electrónico cuando uno de los quarks del neutrón emite una partícula W–. Aquí queda claro que el término “interacción” es más general que “fuerza”; esta interacción que hace cambiar la identidad de las partículas no podría llamarse fuerza (todo representado en uno de los famosos diagramas de Feynman).
La descripción de las interacciones débiles y fuertes a través de teorías gauge no abelianas mostró las limitaciones de los modelos en cincodimensiones, pues éstas requerirían grupos de simetría mayores que el del electromagnetismo. En 1964 Bryce de UIT presentó el primer modelo de tipo Kaluza-Klein–Yang-Mills en el que el espacio extra contenía más de una dimensión.
El siguiente paso sería construir un modelo cuyo grupo de isometría contuviese el del Modelo Estándar SU(3)c × SU(2)l × U(1)y, y que unificara por tanto la gravitación con el resto de las interacciones.
Edward Witten demostró en 1981 que el número total de dimensiones que se necesitarían sería al menos de once. Sin embargo, se pudo comprobar que la extensión de la teoría a once dimensiones no podía contener fermiones quirales, y por tanto sería incapaz de describir los campos de leptones y quarks.
Por otra parte, la supersimetría implica que por cada bosón existe un fermión con las mismas propiedades. La extensión supersimétrica de la Relatividad General es lo que se conoce como supergravedad (supersimetría local).
Unos años antes, en 1978, Cremmer, Julia y Scherk habían encontrado que la super-gravedad, precisamente en once dimensiones, tenía propiedades de unicidad que no se encontraban en otras dimensiones. A pesar de ello, la teoría no contenía fermiones quirales, como los que conocemos, cuando se compactaba en cuatro dimensiones. Estos problemas llevaron a gran parte de los teóricos al estudio de otro programa de unificación a través de dimensiones extra aún más ambicioso, la teoría de cuerdas.
No por haberme referido a ella en otros trabajos anteriores estará de más dar un breve repaso a las supercuerdas. Siempre surge algún matiz nuevo que enriquece lo que ya sabemos.
El origen de la teoría de supercuerdas data de 1968, cuando Gabriela Veneziano introdujo los modelos duales en un intento de describir las amplitudes de interacción hadrónicas, que en aquellos tiempos no parecía provenir de ninguna teoría cuántica de campos del tipo de la electrodinámica cuántica. Posteriormente, en 1979, Yaichiro Nambu, Leonard Susskind y Holger Nielsen demostraron de forma independiente que las amplitudes duales podían obtenerse como resultado de la dinámica de objetos unidimensionales cuánticos y relativistas dando comienzo la teoría de cuerdas.
En 1971, Pierre Ramona, André Neveu y otros desarrollaron una teoría de cuerdas con fermiones y bosones que resultó ser supersimétrica, inaugurando de esta forma la era de las supercuerdas.
David Jonathan Gross
Sin embargo, en 1973 David Gross, David Politzer y Frank Wilczek descubrieron que la Cromodinámica Cuántica, que es una teoría de campos gauge no abeliana basada en el grupo de color SU(3)c, que describe las interacciones fuertes en términos de quarks y gluones, poseía la propiedad de la libertad asintótica. Esto significaba que a grandes energías los quarks eran esencialmente libres, mientras que a bajas energías se encontraban confinados dentro de los hadrones en una región con radio R de valor R ≈ hc/Λ ≈ 10-13 cm.
Dicho descubrimiento, que fue recompensado con la concesión del Premio Nobel de Física a sus autores en 2.004, desvió el interés de la comunidad científica hacia la Cromodinámica Cuántica como teoría de las interacciones fuertes, relegando casi al olvido a la teoría de supercuerdas.
Se habla de cuerdas abiertas, cerradas o de lazos, de p branas donde p denota su dimensionalidad (así, 1 brana podría ser una cuerda y 2.Brana una membrana) o D-Branas (si son cuerdas abiertas) Y, se habla de objetos mayores y diversos que van incorporados en esa teoría de cuerdas de diversas familias o modelos que quieren sondear en las profundidades del Universo físico para saber, como es.
En la década de los noventa se creó una versión de mucho éxito de la teoría de cuerdas. Sus autores, los físicos de Princeton David Gross, Emil Martinec, Jeffrey Harvey y Ryan Rohn, a quienes se dio en llamar el cuarteto de cuerdas de Princeton.
El de más edad de los cuatro, David Gross, hombre de temperamento imperativo, es temible en los seminarios cuando al final de la charla, en el tiempo de preguntas, con su inconfundible vozarrón dispara certeros e inquisidoras preguntas al ponente. Lo que resulta sorprendente es el hecho de que sus preguntas dan normalmente en el clavo.
Gross y sus colegas propusieron lo que se denomina la cuerda heterótica. Hoy día, de todas las variedades de teorías tipo Kaluza-Klein que se propusieron en el pasado, es precisamente la cuerda heterótica la que tiene mayor potencial para unificar todas las leyes de la naturaleza en una teoría. Gross cree que la teoría de cuerdas resuelve el problema de construir la propia materia a partir de la geometría de la que emergen las partículas de materia y también la gravedad en presencia de las otras fuerzas de la naturaleza.
¿Por qué será que, cuando los físicos manejan las ecuaciones de la teoría de cuerdas, sin que nadie las llame, allí aparecen las ecuaciones de campo de la Relatividad General? ¿No será que que en esa teoría no verificada subyace una teoría de la Gr4avedad cuántica?
El caso curioso es que, la Relatividad de Einstein, subyace en la Teoría de cuerdas, y, si eliminamos de esta a aquella y su geometría de la Gravedad…todo resulta inútil. El gran Einstein está presente en muchos lugares y quizás, más de los que nos podamos imaginar.
Es curioso constatar que si abandonamos la teoría de la gravedad de Einstein como una vibración de la cuerda, entonces la teoría se vuelve inconsistente e inútil. Esta, de hecho, es la razón por la que Witten se sintió atraído inicialmente hacia la teoría de cuerdas. En 1.982 leyó un artículo de revisión de John Schwarz y quedó sorprendido al darse cuenta de que la gravedad emerge de la teoría de supercuerdas a partir solamente de los requisitos de auto consistencia. Recuerda que fue “la mayor excitación intelectual de mi vida”.
Gross se siente satisfecho pensando que Einstein, si viviera, disfrutaría con la teoría de supercuerdas que sólo es válida si incluye su propia teoría de la relatividad general, y amaría el hecho de que la belleza y la simplicidad de esa teoría proceden en última instancia de un principio geométrico, cuya naturaleza exacta es aún desconocida.atividad general de Einstein. Nos ayuda a estudiar las partes más grandes del Universo, como las estrellas y las galaxias. Pero los elementodiminutoso los átomos y las partículas subatómicas se rigen por unas leyes diferentes denominadas mecánica cuántica.
Claro que, como todos sabemos, Einstein se pasó los últimos treinta años de su vida tratando de buscar esa teoría unificada que nunca pudo encontrar. No era consciente de que, en su tiempo, ni las matemáticas necesarias existían aún. En la historia de la física del siglo XX muchos son los huesos descoloridos de teorías que antes se consideraban cercanas a esa respuesta final que incansables buscamos.
Hasta el gran Wolfgang Pauli había colaborado con Heisenberg en la búsqueda de una teoría unificada durante algún tiempo, pero se alarmó al oir en una emisión radiofónica como Heisenberg decía: “Está a punto de ser terminada una Teoría unificada de Pauli-Heisenserg, en la que sólo nos queda por elaborar unos pocos detalles técnicos.”
Wolfgang Pauli
Enfadado por lo que consideraba una hipérbole de Heisenberg que se extralimitó con aquellas declaraciones en las que lo inviolucraba sin su consentimiento, Pauli envió a Gamow y otros colegas una simple hija de papel en blanco en la que había dibujado una caja vacía. Al pie del dibujo puso estas palabras: “Esto es para demostrar al mundo que yo puedo pintar con Tiziano. Sólo faltan algunos detalles técnicos.”
Los críticos del concepto de supercuerdas señalaron que las afirmaciones sobre sus posibilidades se basaban casi enteramente en su belleza interna. La teoría aún no había repetido siquiera los logros del Modelo Estándar, ni había hecho una sola predicción que pudiera someterse a prueba mediante el experimento. La Supersimetría ordenaba que el Universo debería estar repleto de familias de partículas nuevas, entre ellas los selectrones (equivalente al electrón supersimétrico) o el fotino (equivalente al fotón).
Lo cierto es que, nada de lo predicho ha podido ser comprobado “todavía” pero, sin embargo, la belleza que conlleva la teoría de cuerdas es tal que nos induce a creer en ella y, sólo podemos pensar que no tenemos los medios necesarios para comprobar sus predicciones, con razón nos dice E. Witten que se trata de una teoría fuera de nuestro tiempo, las supercuerdas pertenecen al futuro y aparecieron antes por Azar.
Y, a todo esto, ¿Dónde están esas otras dimensiones?
Bueno, una cosa es segura…. ¡Siempre hay más de lo que podemos ver! Ni subido en lo más alto podemos ver todo lo que hay.
Todos sabemos de los fenómenos que se pueden producir en algunos aspectos de la relatividad especial de Einstein. Él no quiso llamarla de esa manera y, había pensado que “teoría de la invariabilidad” que reflejaba el carácter invariable de la velocidad de la luz, entre otras cosas, estaría bien. Sin embargo, finalmente se quedó como la Teoría de la Relatividad Especial. La obra de Eintein demostraba que conceptos tales como espacio y tiempo, que anteriormente parecían estar sepados y ser absolutos, en realidad están entrelazados y son relativos. Einstein demostró además que otras propiedades físicas del universo, sorprendentemente, también están interrelacionadas. La más famosa de sus fórmulas constituye uno de los ejemplos más importantes.
“En otras palabras, la masa en sí misma es una medida de una cantidad equivalente de energía. Dicho de otra manera, un cambio (recordemos que los cambio se expresan con la letra griega delta mayúscula, Δ) en la cantidad de energía, E, de un objeto es directamente proporcional a un cambio en su masa, m.”
En esta escueta fórmula Einstein afirma que la energía (E) de un objeto y su masa (m) son conceptos independientes; podemos determinar la energía a partir de la masa del objeto (multiplicando esta dos veces por la velocidad de la luz, o sea por c2) o podemos determinar la masa conociendo su energía (dividiendo esta última dos veces por la velocidad de la luz). En otras palabras, la energía y la masa son las caras de una misma moneda. Claro que, el tipo de cambio es grande (c2 es una cantidad considerable). Una masa pequeña llega a producir una cantidad considerable de energía.
Nube del hongo sobre Hirosima y
Nube del hongo sobre Nagasaki
En Hirosima se utilizó como arma el devastador poder destructivo obtenido de la conversión en energía de menos del uno por ciento de 900 gramos de uranio; algún día, en centrales energéticas de fusión podremos utilizar productivamente la fórmula de Eisntein para bien de la Humanidad y satisfacer la demanda de energía del mundo moderno aprovechando la materia prima inagotable que tenemnos en el agua de los mares y océanos de la Tierra.
Los conceptos que ponen de relieve la Teoría de la Relatividad Especial, ponen de relieve principios fundamentales y una de las cosas que nunca podremos hacer es ir más rápido que la velocidad de la luz. Algunos de ustedes se podrá preguntar ¿por qué no podemos coger un objeto, por ejemplo un muón, que un acelerador de partículas haya impulsado hasta conseguir que se mueva a 298 168 Km/s -el 99,5 por ciento de la velocidad de la luz- y “empujarlo un poco más”, consiguiendo que vaya al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz, y entonces” empujarlo realmente un poco más” para tratar de que cruce la barrera de la velocidad de la luz.
Equivalencia entre masa y materia
La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:
En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.
En forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.
La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).
Captamos imágenes de galaxias situadas a 12 millones de años luz, y, desde luego, la podemos ver como eran entonces, hace 12 millones de año que es el Tiempo que tardó la luz de la galaxia en llegar a nosotros
Estamos tratando de cruzar la barrera de la velocidad de la luz pero, Einstein, en su fórmula nos explica que tal cosa no es posible, y, el esfuerzo no tendría éxito precisamente por lo que antes hemos explicado para las dos maneras en que se transmite la energía y se puede incorporar a un cuerpo libre.
¿Porqué la masa de un objeto aumenta a medida que incrementa su velocidad y de dónde sale esa masa que se suma.?
Como la velocidad de la luz es un límite que impone el Universo para moverse, resulta que un objeto que viaja y se acerca a la velocidad de la luz (c), se ve frenado por ese límite, y, la energía de la inercia… ¡Se convierte en masa! Eso es lo que se deduce de la fórmula E=mc2
¿Cómo que la masa aumenta con la velocidad? ¿Ahora resultará que salir a correr engorda?
En esta ecuación, el término pc representa el momento del objeto (o, lo que es lo mismo, el producto de su masa por la velocidad a la que se desplaza), …
Cuanto más rápido se mueve un objeto, más energía tiene y, a partir de la fórmula de Einstein, vemos que cuanta más energía tiene un objeto, más masa posee. Por ejemplo, los muones que se desplacen al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz pesan más que los muónes inmóviles. De hecho, la verdad es que se vuelven 22 veces más pesados.
Pero, cuanto más masa tiene un objeto, más difícil es incrementar su velocidad. Una cosa es empujar una ligera bicleta y otra muy distinta, empujar a un pesado camión. Así, a medida que un muón se mueve más rápido, se hace cada vez más difícil aumentar aún más su velocidad. Cuando se desplaza a un 99,999 por ciento de la velocidad de la luz, la masa de un muón se multiplica por 224; a un 99,99999999 por ciento de la velocidad de la luz se multiplica por un factor que es más de 70 000. Como la masa del muón aumenta sin limite a medida que su velocidad se aproxima a la de la luz, sería necesario un impulso dado con una cantidad infinita de energía para alcanzar o superar la barrera de la velocidad de la luz. Por supuesto, esto es imposible de alcanzar y, en consecuencia, nignún objeto puede (en nuestro universo) moverse más rápido que la luz (llegaría a tener una masa infinita) que es el limite de velocidad que podemos alcanzar y también, el limite para poder transmitir información.
La velocidad de la luz es de 300.000 kilómetros por segundo. Podría rodear la Tierra casi 7 veces cada segundo. Es una barrera, un límite en el Universo. Nada puede viajar a más velocidad. Además de ser insuperable, la velocidad de la luz parece ser uno de los fundamentos sobre los que se ha construido nuestro Universo.
La luz se propaga en el vacío a una velocidad aproximada a los 30.000 millones (3×1010) de centímetros por segundo. La cantidad c2 representa el producto c×c, es decir: 3×1010 × 3×1010, ó 9×1020. Por tanto, c2 es igual a 900.000.000.000.000.000.000. Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría, en 9×1020 ergios de energía.
El ergio es una unida muy pequeña de energía que equivale a: “Unidad de trabajo o energía utilizado en el sistema c.g.s y actúa definida como trabajo realizado por una fuerza de 1 dina cuando actúa a lo largo de una distancia de 1 cm: 1 ergio = 10-7 julios”. La kilocaloría, de nombre quizá mucho más conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia convertido en energía daría 2’2 × 1010 (22 millones) de kilocalorías. Una persona puede sobrevivir cómodamente con 2.500 kilocalorías al día, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energía que representa un solo gramo de materia tendríamos reservas para unos 24.110 años, que no es poco para la vida de un hombre.
O dicho de otro modo: si fuese posible convertir en energía eléctrica la energía representada por un solo gramo de materia, bastaría para tener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años.
Claro que la luz, también es mucho más que todo eso y es una manifestación electromagnética como el resto de las radiaciones. A medida que la luz va desde una galaxia a otra más distante, esa luz se extiende como lo hace el espacio y eso hace que la luz, cuya longitud de onda es intrínsecamente corta, se convierta gradualmente en luz roja de longitud de onda más larga. Esa es la causa del desplazamiento hacia el rojo de los espectros de luz de las galaxias distantes.
¿Cómo se convierte el “desplazamiento hacia el rojo” en una manera para medir distancias en el Universo? Todo se debe a un sorprendente descubrimiento realizado en 1926 en el observatorio del monte Wilson, cerca de Los Ángeles. Allí Edwin Hubble descubrió que el Universo se está expandiendo. Fue un hallazgo increíble, pues nadie se esperaba algo así. Al haber “desplazamientos hacia el rojo” en todas direcciones, Hubble descubrió que todas las galaxias distantes del Universo se estaban separando entre sí, algo que hoy sabemos que está causado por la expansión del propio espacio.
Efecto Doppler: La luz que se acerca es azul, la que se aleja es roja
Vista desde la Tierra una galaxia no parece alejarse, pero sabemos que sí ocurre porque su luz en espectro aparece más desplazada hacia la zona del rojo de lo habitual para los elementos químicos que nos llegan de la misma. Una galaxia que se aleje a poca velocidad adquirirá un ligero tono rojizo, pero una galaxia que se aleje más rápidamente adquirirá un rojo más intenso, un mayor “desplazamiento hacia el rojo”. Pero Hubble también descubrió que las galaxias que se mueven a mayor velocidad, también son las que están más alejadas. Eso significa que cuanto mayor sea el “desplazamiento hacia el rojo”, más lejos estará la galaxia.
Averiguando la velocidad de expansión del espacio y realizando los cálculos inversos, los cosmólogos han podido estimar la edad del Universo en unos 13700 millones de años. Así que lo más lejos que podemos observar en cualquier dirección es 13700 millones de años luz. La luz no ha podido viajar más. Es el denominado “Universo observable”. Una esfera de poco menos de 13700 millones de años luz en todas direcciones que contiene todo lo que podemos ver. No hay razón para considerar que el “Universo observable” abarque todo el tamaño del Universo. Podría ser mayor, pero eso es lo que podríamos ver dado el tiempo que la luz ha viajado.
Un astrónomo situado en una galaxia del extremo del horizonte no puede ver ninguna de las galaxias situadas en el otro extremo de nuestro Universo. Pero puede ver galaxias situadas a unos 13.7000 millones de años luz en la otra dirección y así sucesivamente. Por lo que respecta a los astrónomos de la Tierra, el límite de la velocidad de la luz los tiene atrapados. Si nos preguntáramos que está ocurriendo más allá de nuestro “Universo observable” tendríamos que afrontar el hecho de que la velocidad de la luz es realmente una barrera.
El GPS consta de una red de 24 satélites, que orbitan en la Tierra a una altura de 20000 km sobre la superficie. En cualquier momento, cualquier vehículo donde se halle instalado recibe la señal de al menos 4 satélites y compara la duración de las distancias a que se encuentran, a la velocidad de la luz, para calcular su ubicación exacta en la superficie. Todo el sistema depende de relojes extraordinariamente precisos y cuando los ingenieros los diseñaron sabían que los satélites se moverían a casi 11300 km/h, una velocidad suficiente para ralentizar sus relojes una diminuta fracción de segundo. Los ingenieros incluyeron en el sistema todas las diferencias de tiempo relativistas y eso les ha conferido una precisión impresionante. Como los relojes de los satélites avanzan a unas velocidades diferentes que los relojes situados sobre la Tierra, sin estas correcciones relativistas la posición del vehículo sería errónea.
Sistema GPS
La distorsión del tiempo es sólo una de las extrañas consecuencias de viajar con velocidades próximas a las de la luz. Imaginemos que continuamos con la “bici” pedaleando a velocidades próximas a las de la luz, entonces el espacio comienza a hacer cosas extrañas para el ciclista y para la bicicleta. Un observador apreciaría que la longitud de la bicicleta disminuye en la dirección del movimiento, que se encoge en dicha dirección. Este efecto se conoce como “contracción de la longitud” y junto con la “dilatación del tiempo” son percibidos así por un observador inmóvil cuando ve algo que se mueve con velocidades próximas a la de la luz.
Cuanto más rápido viajan, los relojes marcan el tiempo cada vez más lento. En teoría, entonces, para objetos que viajen a la velocidad de la luz… ¡El tiempo se volvería infinito y se detendría?
Pero también el ciclista que se mueve a esta velocidad experimenta los efectos relativistas y su visión del mundo cambia radicalmente conforme su velocidad se aproxima a la de la luz. Las formas de las cosas comienzan a distorsionarse, todo se curva formándose una especie de túnel y los colores se van deformando también. Los cambios de color se explican por el fenómeno físico denominado “efecto Doppler”, mientras que la distorsión de la forma ocurre por un fenómeno óptico denominado “aberración”.
La velocidad de la luz tiene otras peculiaridades en el lento movimiento de nuestro mundo. Peculiaridades que sí percibimos muy bien. La velocidad de la luz es constante, pero únicamente en el vacío del espacio. Cuando la luz atraviesa otros medios como el vidrio o algún fluido se ralentiza considerablemente. Si no lo hiciese así los telescopios o la visión humana, por ejemplo, no funcionarían.
La luz viaja más lentamente a través del agua, por eso vemos que la luz se refracta, se curva y se ondula cuando estamos bajo el agua. La vida tal y como la conocemos sería muy diferente si la luz no se propagara a velocidades diferentes a través de materiales diferentes. No podríamos ver y nuestros ojos no funcionarían igual. En un universo donde la luz se moviese a igual velocidad a través de todos los materiales, sabríamos muy poco del mundo que nos rodeara, sólo veríamos vagas manchas de luz y oscuridad. Esto ocurriría porque nuestros ojos dependen de unas lentes biológicas, los cristalinos, para enfocar las imágenes en nuestras retinas. Al igual que las lentes de cristal funcionan porque la luz se ralentiza cuando las atraviesan. Pero, ¿por qué ocurre eso?. Porque la luz es absorbida por los átomos de cristal que la vuelven a irradiar a continuación, de manera que existe un retardo. La luz golpea un átomo que vibra y entonces reenvía la luz, de ahí viene el retardo. Este retardo también hace que la luz se curve cuando encuentra un cristal en forma de lente. Si se curva de forma adecuada la luz puede ser enfocada, recogida y ampliada. Para los astrónomos nada puede ser más importante. Menos mal que la luz se ralentiza cuando pasa a través del cristal, porque esa es la razón de que poseamos telescopios. Los tenemos gracias a que la luz se curva cuando atraviesa el cristal, así podemos concentrar grandes cantidades de luz en un solo punto y eso nos permite contemplar las lejanas maravillas del Universo. La luz pasa a través de la lente del telescopio a 200000 km/s, 2/3 de su velocidad en el vacío.
Siempre hemos soñado con vijar más rápido que la luz, y, existe alguna teoría
Aún nos enfrentamos a la velocidad de la luz como un muro impenetrable. Una velocidad que según Einstein nunca podrá ser rebasada. Sin embargo la Historia está llena de imposibles que se hicieron realidad. Por ejemplo, ¿seremos capaces de alcanzar las estrellas en naves que viajen más rápidas que la velocidad de la luz? Y si es así, ¿cuándo?
Esta sería una manera de burlar la velocidad de la luz, no de vencerla
Esa es la idea básica del concepto de “Agujero de gusano”, plegar el espacio sobre sí mismo y tomar un atajo a través del Universo. Hoy, naturalmente, esta idea pertenece aún al ámbito de la ciencia ficción. ¿Pero que aspecto tendría una máquina de agujeros de gusano? Probablemente sería enorme y su equipamiento podría estar situado sobre un gran número de asteroides, dispuestos sobre una esfera gigantesca. Una gran batería de rayos láser concentraría una enorme cantidad de energía sobre un solo punto. Habría que alcanzar una temperatura increíble con el fin de abrir un agujero, una burbuja o puerta que quizás nos llevase a otra parte del Universo.
Nave interestelar de ficción
Otra estrategia diferente que nos permitiría viajar por el espacio a mayor velocidad que la luz es el “Impulso por deformación” que en la literatura de ciencia ficción también se denomina “motor de curvatura”. ¿Qué puede frenar o poner límites a nuestra imaginación.
En realidad, yo estaba hablando de que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa y de que, la velocidad de la luz produce extraños efectos para los objetos que tratan de sobrepasarlas, ?que digo? que tratan de acercarse a ella. Ya lo hemos visto más arriba con los muones que se transforman en otra cosa a medida que la velocidad de la luz está más cerca de la que ellos llevan.
Hay cuestiones que aún no podemos explicar
También aquí, en nuestro Sol, está presente la famosa ecuación de Einstein, por medio de lo que ella explica, es posible que lñas estrellas brillen en el cielo, que la Tierra tenga la luz y el calor necesarios para la vida y que las plantas puedan realizar su necesaria fotosíntesis
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por Emilio Silvera ~
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