La Física Cuántica nos revelará los secretos del Cosmos

En 1.930, el físico Wolfgang Pauli propuso la hipótesis de una nueva e invisible partícula denominada neutrino para dar cuenta de la energía pérdida en ciertos experimentos sobre radiactividad que parecían violar la conservación de la materia y la energía. Pauli comprendió, no obstante, que los neutrinos serían casi imposibles de observar experimentalmente, porque interaccionarían muy débilmente y, por consiguiente, muy raramente con la materia.

Por ejemplo, si pudiéramos construir un bloque sólido de plomo de varios años-luz de extensión desde nuestro Sistema Solar hasta Alpha Centaury y lo pusiéramos en el camino de un haz de neutrinos, aun saldrían algunos por el extremo opuesto.  Pueden atravesar la Tierra como si ni siquiera existiese y, de hecho, billones de neutrinos emitidos por el Sol están atravesando continuamente nuestros cuerpos, tanto de día como de noche.  Pauli admitió: “He cometido el pecado más grave, he predicho la existencia de una partícula que nunca puede ser observada.”

Los neutrinos han sido objeto de grandes proyectos para su localización, y, escondidos en las profundidades de la Tierra, en minas abandonadas, han sido instalados grandes depósitos de agua pesada que, detectaban a los neutrinos que allí interaccionaban y que eran detectados por ordenador. Hay empresas que parecen descabelladas y, sin embargo, son las que nos traen los mayores éxitos.

Si repasamos la historia de la Ciencia, seguramente encontraremos muchos motivos para el optimismo.  Witten con su Teoría M,  está convencido de que la ciencia será algún día capaz de sondear hasta las energías de Planck.

Como ya he contado en otras ocasiones, él dijo:

“No siempre es tan fácil decir cuáles son las preguntas fáciles y cuáles las difíciles.  En el siglo XIX, la pregunta de por qué el agua hierve a 100 grados era desesperadamente inaccesible.  Si usted hubiera dicho a un físico del siglo XIX que hacia el siglo XX sería capaz de calcularlo, le habría parecido un cuento de hadas…  La teoría cuántica de campos es tan difícil que nadie la creyó completamente durante veinticinco años.”

En su opinión Las buenas ideas siempre se verifican.

Los ejemplos son innumerables: La Gravedad de Newton, el campo eléctrico de Faraday y el electromagnetismo de Maxwell, la teoría de la relatividad de Einstein en sus dos versiones y su demostración del efecto fotoeléctrico, la teoría del electrón de Paul Dirac, el principio incertidumbre de Heisemberg, la función de ondas de Schrödinger, y tantos y tantos otros.

Algunos de los físicos teóricos más famosos, sin embargo, protestaban de tanto empeño en la experimentación.

El astrónomo Arthur Eddington (ya lo hemos nombrado antes) se cuestionaba incluso si los científicos no estaban forzando las cosas cuando insistían en que todo debería ser verificado.

El premio Nóbel Paul Dirac incluso llegó a decir de forma más categórica:”Es más importante tener belleza en las ecuaciones que tener experimentos que se ajusten a ellas.”

O, en palabras del físico John Ellis del CERN: “como decía en una envoltura de caramelos que abrí hace algunos años:  ” Es sólo el optimista el que consigue algo en este mundo”

Yo, como todos ustedes, un hombre normal y corriente de la calle, escucho a unos y a otros, después pienso en lo que dicen y en los argumentos y motivaciones que les han llevado a sus respectivos convencimientos, y, finalmente, también como todos ustedes, decido según mi propio criterio, que no obligatoriamente, coincidirá con alguna de esas opiniones, y, en algún caso, hasta me permito emitir, la mía propia.

Suponiendo que algún físico brillante nos resuelva la teoría de campos de cuerdas y derive las propiedades conocidas de nuestro universo, con un poco de suerte, podría ocurrir en este mismo siglo, lo que no estaría nada mal considerando las dificultades de la empresa.

El problema fundamental es que estamos obligando a la teoría de supercuerdas a responder preguntas sobre energías cotidianas, cuando su “ámbito natural” está en la energía de Planck.  Esta fabulosa energía fue liberada sólo en el propio instante de la creación. Lo que quiere decir, que la teoría de supercuerdas es naturalmente una teoría de la Creación.

Fuimos capaces de predecir que el big bang produjo un “eco” cósmico reverberando en el Universo y que podría ser medido por los instrumentos adecuados.   De hecho, Arno Penzias y Robert Wilson de los Bell telephone Laboratories ganaron el premio Nóbel en 1978 por detectar este eco del big bang, una radiación de microondas que impregna el Universo conocido. El que el eco del big bang debería estar circulando por el Universo miles de millones de años después del suceso fue predicho por primera vez por George Gamow y sus discípulos Ralpher y Robert Herman, pero nadie les tomó en serio.

La propia idea de medir el Eco de la Creación parecía extravagante cuando la propusieron por primera vez poco después de la segunda guerra mundial.

Su lógica, sin embargo, era aplastante.  Cualquier objeto, cuando se calienta, emite radiación de forma gradual.  Esta es la razón de que el hierro se ponga al rojo vivo cuando se calienta en un horno y, cuanto más se calienta, mayor es la frecuencia de radiación que emite.  Una fórmula matemática exacta, la ley de Stefan-Boltzmann, relaciona la frecuencia de la luz (o el color en este caso) con la temperatura.  (De hecho, así es como los científicos determinan la temperatura de la superficie de una estrella lejana, examinando su color).  Esta radiación se denomina RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO.

Esta radiación (como no), ha sido aprovechada por los ejércitos que mediante visores nocturnos pueden operar en la oscuridad.  De noche, los objetos relativamente calientes, tales como soldados enemigos o los carros de combate, pueden estar ocultos en la oscuridad, pero continúan emitiendo radiación de cuerpo negro invisible en forma de radiación infrarroja, que puede ser captada por gafas especiales de infrarrojos.  Esta es también la razón de que nuestros automóviles cerrados se calienten en verano, ya que, la luz del Sol atraviesa los cristales del automóvil y calienta el interior. A medida que se calienta, empieza a emitir radiación de cuerpo negro en forma de radiación infrarroja.  Sin embargo, esta clase de radiación, no atraviesa muy bien el vidrio, y por lo tanto queda atrapada en el interior del automóvil, incrementando espectacularmente la temperatura.

Análogamente, la radiación de cuerpo negro produce el efecto invernadero. Al igual que el vidrio, los altos niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, causados por la combustión sin control de combustibles fósiles, pueden atrapar la radiación de cuerpo negro infrarroja en la Tierra y, de este modo, calentar gradualmente el planeta.

Gamow razonó que el big bang era inicialmente muy caliente, y que por lo tanto sería un cuerpo negro ideal emisor de radiación.  Aunque la tecnología de los años cuarenta era demasiado primitiva para captar esta débil señal de la Creación, Gamow pudo calcular la temperatura de dicha radiación y predecir con fiabilidad que un día nuestros instrumentos serían lo suficientemente sensibles para detectar esta radiación “fósil”.

La lógica que había detrás de su razonamiento era la siguiente: alrededor de 300.000 años después del big bang, el Universo se enfrió hasta el punto en el que los átomos pudieron empezar a componerse; los electrones pudieron empezar a rodear a los protones y neutrones formando átomos estables, que ya no serían destruidos por la intensa radiación que esta impregnando todo el Universo.  Antes de este momento, el Universo estaba tan caliente que los átomos eran inmediatamente descompuestos por esa radiación tan potente en el mismo acto de su formación.  Esto significa que el Universo era opaco, como una niebla espesa absorbente e impenetrable.

Pasados 300.000 años, la radiación no era tan potente, se había enfriado, y por lo tanto la luz podía atravesar grandes distancias sin ser dispersada.  En otras palabras, el Universo se hizo repentinamente mayor y transparente.

Terminaré esta parte comentando que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario, un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica.

La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro.  Se extiende sobre todo el rango de longitud de onda y la distribución de energías sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumentar las temperaturas.*

Hablar, sin más especificaciones, radiación, es estar refiriéndonos a una energía que viaja en forma de ondas electromagnéticas o fotones por el Universo.  También nos podríamos estar refiriendo a un chorro de partículas, especialmente partículas alfa o beta de una fuente radiactiva o neutrones de un reactor nuclear.

La radiación actínida es la electromagnética que es capaz de iniciar una reacción química.  El término es usado específicamente para la radiación ultravioleta y también para denotar radiación que podría afectar a las emulsiones fotográficas.

Radiación blanda, radiación cósmica, radiación de calor, radiación de fondo, de fondo de microondas, radiación dura, electromagnética, radiación gamma, infrarroja, ionizante, monocromática, poli cromática, de sincrotrón, ultravioleta, de la teoría cuántica, de radiactividad…    y, como se puede ver, la radiación en sus diversas formas, es, un Universo en sí misma.

Siempre me llamó la atención y se ganó mi admiración el físico alemán Max Planck (1858-1947), responsable, entre otros muchos logros, de la ley de radiación de Planck que, da la distribución de energía radiada por un cuerpo negro.  Introdujo en Física el concepto novedoso de que la energía es una entidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de una emisión continua.

Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada es la base de la teoría cuántica.

Einstein se inspiró en este trabajo para a su vez, presentar el suyo propio sobre el efecto fotoeléctrico donde la energía máxima cinética del fotoelectrón, Em’ esta dada por la ecuación que lleva su nombre:

Planck publicó en 1.900, un artículo sobre la radiación de cuerpo negro que, sentó las bases para la teoría de la mecánica cuántica que más tarde desarrollaron otros, como el mismo Einstein, Heisemberg, Schrördinger, Dirac, Feymann, etc.

Todos los físicos son conocedores de la enorme contribución que Max Planck hizo en física: la constante de Planck, radiación de Planck, longitud de Planck, unidades de Planck, etc.  Es posible que sea el físico de la historia que más veces ha dado su nombre a conceptos de la física.

Pongamos un par de ejemplos de su ingenio:

1)     Longitud de Planck que  vale 10^{-35 metros}

Esta escala de longitud (veinte ordenes de magnitud menor que el tamaño del protón 10^{-15 m.) es a la que la descripción clásica de la gravedad cesa de ser válida y deber ser tenida en cuenta la mecánica cuántica.}

En la formula que la describe, G es la constante gravitacional, ħ es la constante de Planck racionalizada y c es la velocidad de la luz.

 Masa de Planck

2)   vale 10 exp. -8 kg. 

Es la masa de una partícula cuya longitud de onda Compton es igual a la longitud de Planck.  Está dada por la ecuación 2), donde ħ es la constante de Planck racionalizada, c es la velocidad de la luz y G es la constante gravitacional (los mismos términos de la ecuación 1), pero intercambiándolos de manera que tienen otro significado).

La descripción de una partícula elemental de esta masa, o partículas que interaccionan con energías por partículas equivalentes a ella (a través de ), requiere una teoría cuántica de la gravedad.  Como la masa de Planck es del orden de 10^{-8 Kg (equivalente a una energía de 10 exp.19} GeV) y, por ejemplo, la masa del protón es del orden de 10^{-27 kg y las mayores energías alcanzables en los aceleradores de partículas actuales son del orden de 10 exp.3} GeV, los efectos de gravitación cuántica no aparecen en los laboratorios de física de partículas.

Únicamente, en un laboratorio aparecieron partículas que tenían energías del orden de la masa de Planck: en el Universo primitivo, de acuerdo con la teoría del Big Bang, motivo este por el que es necesaria una teoría cuántica de la gravedad para estudiar aquellas condiciones.

Esta energía de la que estamos hablando, del orden de 10¹⁹ GeV (inalcanzable para nosotros), es la que necesitamos para verificar la teoría de supercuerdas.

Siempre, desde que puedo recordar, me llamó la atención los misterios y secretos encerrados en la Naturaleza y, la innegable batalla mantenida, a lo largo de la historia, por los científicos para descubrirlos.

emilio silvera

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