El hombre se ha preguntado durante largo tiempo, “¿de qué está hecho el mundo?” Demócrito de Abdera nos hablaba del “átomo” y Empédocles de “elemenmtos”, otros, se referían a la sustancia cósmica a la que llamaban Ylem, aquella “semilla” primera que daría lugar a la venida de la materia. ¿No será el Ylem, lo que hoy llaman materia oscura?

Ahora sabemos que, no sólo nuestro mundo, sino todo el inmenso Universo, está hecho de pequeños objetos infinitesimales a las que hemos denominado partículas sub-atómicas y que forman varias familias. Unas son más elementales que otras y según, a qué familia pertenezcan, atienden o se rigen por una u otra fuerza elemental.

“Esquema de principios de siglo XX para un átomo de helio, mostrando dos protones (en rojo), dos neutrones (en verde) y dos electrones.”

Son los constituyentes fundamentales de toda la materia del Universo (por lo menos de toda la materia conocida y que podemos detectar formando estrellas y mundos, galaxias o seres vivos). Hemos podido llegar a saber que, de esas briznas de materia se forman los núcleos que, rodeados de electrones conforman los átomos de la materia.

Los grupos de  átomos conforman las moléculas que son las unidades fundamentales de los compuestos químicos pero, comencemos por los núcleos atómicos:

Muchas son las veces que aquí mismo he podido explicar, que los quarks u y d se hallan en el interior de los nucleones y, por tanto, su habitat está en los núcleos atómicos donde se encuentran confinados y, en realidad, no intervienen directamente  en las propiedades de los núcleos. Sin embargo, no podemos olvidar que la fuerza nuclear fuerte está ahí reteniendo a los Quarks por medio de losGgluones y, eso hace que, el núcleo sea estable.

Los núcleos atómicos constituyen un tipo de materia que, aisladamente, de forma individual (si exceptuamos el protón), siempre están en ambientes muy energéticos, por ejemplo, en el interior de las estrellas. En nuestro entorno terráqueo, es raro encontrar núcleos aislados, sino parcial o totalmente confinados dentro de los átomos.

Sabemos que el número de especímenes atómicos es limitado, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya señalé en otros escritos que, el número de especies atómicas, naturales y artificiales, es de unos pocos miles, en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprenden unos pocos millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a la síntesis que se lleva a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura, con individualidad propia, constituida por un conjunto de núcleos y sus  electrones. La molécula más sencilla es la de Hidrógeno que tiene dos electrones, hasta las más complejas como las de las proteínas, con muchos miles de ellos, existen toda una gama de varios millones. Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

                       Molécula de Agua

Silicio

Desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares o atómicas. Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco más, se podría admitir que la citada información la aportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales los que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones “corticales”.

Las partículas forman átomos, los átomos moléculas y las moléculas sustancias y cuerpos que están hechos por la diversa variedad de elementos que conforma la materia conocida y que, en definitiva, sólo son Quarks y Leptones-

“Durante el paso del tiempo una de las mayores incógnitas de la humanidad es saber de qué estamos hechos. Muchas filosofías antiguas creían eran un conjunto de elementos como el agua, el aire, el fuego y la tierra por mencionar algunos. Hoy en día los físicos creen que estamos formados por doce partículas fundamentales los quarks y leptones.”

Con los Quarks formados en tripletes se forman los protones y neutrones que son los nucleones situados en el núcleo de los átomos (Hadrones de la rama barionica), otros hadrones llamados mesones están hechos de un Quarks y un antiquark y sus funciones son otras.

Los quarks y leptones como partículas fundamentales (se cree)  no tienen infraestructura y no se puede descomponer en partículas más pequeñas. Estos interactúan a través de cuatro fuerzas para formar así el universo que lo conocemos hoy en día.

               Partículas mediadoras de la fuerza nuclear débil

La primera imagen que se logró de la partícula de luz: El Fotón, la partícula mediadora de todas las interacciones electromagnéticas del Universo.

Los Quarks están confinados dentro de los nucleones (Protones y Neutrones= retenidos por la partícula mediadora llamada Gluón (en la segunda imagen se ve la muestra).

El esquivo Gravitón (si existe), no ha podido ser encontrado, se cree que al ser la Gravedad la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales  su partícula mediadora el Gravitón es de escala infinitesimal y difícil de detectar.

Estas doce partículas elementales a su vez están mediadas por los intercambios de otro tipo de partículas que pueden referirse como mediadores de fuerza, de estos se conocen cuatro tipos: el “gluón”, “fotón”, “gravitón” y “bosones débiles”. Aunque en realidad, el gravitón aún no ha sido confirmado experimentalmente , pero muchos físicos asumen que existe este mediador.

Como un núcleo y un electrón que se atraen entre sí debido a sus cargas eléctricas, los quarks se combinan entre sí por sus cargas de color . La fuerza que la mayoría de los físicos creen que los quarks son los bloques de construcción fundamentales que componen el universo, no se ha observado un quark aislado por sí mismo. Esto es debido a la naturaleza a fuerte es una fuerza que actúa entre cargas de color. Al igual que hay dos tipos de cargas eléctricas, hay tres tipos de cargas de color “rojo”, “azul” y “verde”, análogos a los colores primarios de la luz.

Ahora bien si conoces la teoría de los colores elementales de la luz , se puede recordar que la superposición de los tres colores elementales termina con el blanco. Esta es la razón por la cual un protón y un neutrón están formados por tres quarks. En un protón y un neutrón, un quark tiene un color rojo, otro tiene un color azul y la tercera uno tiene unie ha tenido éxito en aislar un quark, a este fenómeno se llama el confinamiento quark.

“La tabla periódica de los elementos es una disposición de los elementos químicos en forma de tabla, ordenados por su número atómico (número de protones),²​ por su configuración de electrones y sus propiedades químicas. Este ordenamiento muestra tendencias periódicas, como elementos con comportamiento similar en la misma columna.

Dmitri Mendeléyev publicó en 1869 la primera versión de tabla periódica que fue ampliamente reconocida. La desarrolló para ilustrar tendencias periódicas en las propiedades de los elementos entonces conocidos, al ordenar los elementos basándose en sus propiedades químicas,⁷​ si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los átomos.⁸​ Mendeléyev también pronosticó algunas propiedades de elementos entonces desconocidos que anticipó que ocuparían los lugares vacíos en su tabla. Posteriormente se demostró que la mayoría de sus predicciones eran correctas cuando se descubrieron los elementos en cuestión.”

“De los elementos con número atómico entre 1 hasta 92, todos a excepción de cuatro (₄₃Tc, ₆₁Pm, ₈₅At, y ₈₇Fr) se pueden detectar fácilmente en ciertas cantidades en la Tierra, teniendo una vida estable, o unos isótopos de vida media relativamente larga, o se generan como subproductos del uranio. Todos los elementos con gran número atómico tienen una probabilidad alta de haber sido generados de forma artificial, otros son extremadamente raros y por lo tanto han sido descubiertos mediante investigaciones científicas, y otros por el contrario no han existido anteriormente, como el plutonio y el neptunio, de los cuales ninguno tiene existencia natural sobre la tierra.

Todos ellos son radiactivos, con una vida media más corta que la edad de la Tierra, de esta forma es posible que estos elementos, estuvieran presentes en la formación de la tierra. Las trazas de neptunio y plutonio aparecen solo durante las pruebas de las bombas atómicas explotadas en la atmósfera. Tanto el Np como el Pu generados proceden de captura de neutrones en el uranio con dos reacciones posteriores de decaimiento beta.”

“La mayoría de los elementos generados de forma artificial se pueden obtener como elemento sintético vía reacciones nucleares o acelerador de partículas. La vida media de estos elementos suele decrecer con el número atómico.

“Algunos isótopos de los elementos níquel (Ni), cobre (Cu) y zinc (Zn). Como en la mayoría de las tablas de isótopos, los elementos se organizan de abajo hacia arriba según su número atómico creciente, y los isótopos de izquierda a derecha según su masa creciente. Color negro: isótopos estables; azul: isótopos emisores de partículas beta; rojo: isótopos emisores de partículas beta.”

Existen, no obstante excepciones, que incluyen el dubnio y algunos isótopos del curio. El químico Glenn T. Seaborg (Premio Nobel de Química) llegó a crear leyes empíricas capaces de predecir estas anomalías. Todas ellas se categorizan en lo que viene a denominarse como “isla de estabilidad”. Los elementos transuránicos no descubiertos todavía, o que no han sido denominados de forma oficial, emplearán la nomenclatura indicada por la IUPAC. A pesar de ello la denominación de algunos elementos transuránicos en el pasado y hoy en día son fuentes de controversia.·

Lista de los elementos transuránicos

• 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
• Podemos finalizar para decir que, la materia, esconde muchos secretos que aún, debemos desvelar.

Emilio silvera

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Hubo que descubrir la historia antes de explorarla. Los mensajes del pasado se transmitían primero a través de las habilidades de la memoria, luego de la escritura y, finalmente, de modo explosivo, en los libros. El insospechado tesoro de reliquias que guardaba la tierra se remontaba a la prehistoria. El pasado se convirtió en algo más que un almacén de mitos y leyendas o un catálogo de lo familiar.

Algunos mensajes que todavía podemos leer en algunos perdidos lugares de la geografía española, ¡son tan inocentes! que nos remontan a otros tiempos, a otro mundo que, aunque nos parezca mentira, es el mundo nuestro, el mismo que habitamos ahora y la diferencia está marcada por el paso del tiempo y la evolución. Es fácil pasar de lo cotidiano y entrañable al átomo invisible que está, sin estar, presente en todo y en todos.

Nuevos mundos terrestres y marinos, riquezas de continentes remotos, relatos de viajeros aventureros que nos traían otras formas de vida de pueblos ignotos y lejanos, abrieron perspectivas de progreso y novedad. La sociedad, la vida diaria del hombre en comunidad, se convirtió en un nuevo y cambiante escenarios de descubrimientos.

        Cuando se descubrió la rueda y el arado, ¿qué salto hacia el futuro no daría la Humanidad?

Aquí, como sería imposible hacer un recorrido por el ámbito de todos los descubrimientos de la Humanidad, me circunscribo al ámbito de la física, y, hago un recorrido breve por el mundo del átomo que es el tema de hoy, sin embargo, sin dejar de mirar al hecho cierto de que, TODA LA HUMANIDAD ES UNA, y, desde luego, teniendo muy presente que, todo lo que conocemos es finito y lo que no conocemos infinito.

                                   Todos diferentes pero iguales

Es bueno tener presente que intelectualmente nos encontramos en medio de un océano ilimitado de lo inexplicable. La tarea de cada generación es reclamar un poco más de terreno, añadir algo a la extensión y solidez de nuestras posesiones del saber (eso nos aconsejó Wheeler).

Como decía Einstein:

“El eterno misterio del mundo es su comprensibilidad.”

Nos puede parecer asombroso, si miramos hacia atrás en el Tiempo, y nos retrotraemos a esas épocas en las que nos refugiábamos en cavernas para resguardarnos del frío, de los peligros de la noche, del horror de los truenos y las tormentas que no podíamos comprender, como el día u la noche, la salida del Sol y la Luna y, que en tan poco tiempo  (unas decenas de miles de años), estemos tratando de desentrañar la materia, las estrellas, las infinitas galaxias y todos los objetos y fenómenos que en el Universo son.

Ahora, amigos, hablemos del átomo. Veamos, para comenzar como es, la imagen de un átomo en movimiento.

“Ha supuesto un gran avance en el campo de la Física. Científicos de la Universidad de Otago, en Nueva Zelanda, desarrollaron una técnica para aislar sistemáticamente y capturar un átomo en rápido movimiento neutral, y también han conseguido en primicia ver y fotografiar este átomo por primera vez, lo que han denominado desde la universidad como el “sueño de los científicos”.

La captura del átomo de rubidio 85 es el resultado de un proyecto de investigación de tres años de duración financiado por la Fundación para la Investigación, Ciencia y Tecnología, y ha suscitado el interés en la comunidad científica internacional por las nuevas investigaciones que podrán surgir de este hito.”

¡Hay tantos mundos dentro de este nuestro! Sí,  dentro de cada Mente existe un mundo… ¡Tan diferentes!

De lo Grande a lo Pequeño. Sin embargo, las dimensiones son engañosas, ya que, cada objeto tiene su propia medida en función de su cometido en la Naturaleza, y, no por pequeño se es menos importante.

El 6 de Agosto de 1945 el mundo recibió estupefacto desde Hiroshima la noticia de que el hombre había desembarcado en el oscuro continente del átomo. Sus misterios habrían de obsesionar al siglo XX. Sin embargo, el “átomo” había sido más de dos mil años una de las más antiguas preocupaciones de los filósofos naturales. La palabra griega átomo significa unidad mínima de materia, que se suponía era indestructible. Ahora el átomo era un término de uso corriente, una amenaza y una promesa sin precedentes.

Leucipo (c. 450-370 a.C.), filósofo griego. Es reconocido como creador de la teoría atómica de la materia, más tarde desarrollada por su discípulo, el filósofo griego Demócrito. Según esta teoría, toda materia está formada por partículas idénticas e indivisibles llamadas átomos.

Leucipo fue un griego legendario. Sin embargo, fue su discípulo Demócrito el que dio al atomismo su forma clásica como filosofía: “la parte invisible e indivisible de la materia”, se divertía tanto con la locura de los hombres que era conocido como “el filósofo risueño” o “el filósofo que ríe”. No obstante fue uno de los primeros en oponerse a la idea de la decadencia de la Humanidad a partir de una Edad de Oro mítica, y predicó sobre una base de progreso. Si todo el Universo estaba compuesto solamente por átomos y vacío, no sólo no era infinitamente complejo, sino que, de un modo u otro, era inteligible, y seguramente el poder del hombre no tenía límite.

Lucrecio (c. 95 a.C. -c. 55 a.C.) perpetuó en De rerum natura (De la naturaleza de las cosas) uno de los más importantes poemas latinos, al atomismo antiguo. Con la intención de liberar al pueblo del temor a los dioses, el poeta demostró que el mundo entero estaba constituido por vacío y átomos, los cuales se movían según sus leyes propias; que el alma moría con el cuerpo y que por consiguiente no había razón para temer a la muerte o a los poderes sobrenaturales.

Lucrecio decía que comprender la Naturaleza era el único modo de hallar la paz de espíritu, y, como era de esperar, los padres de la Iglesia que pregonaban la vida eterna, atacaron sin piedad a Lucrecio y este fue ignorado y olvidado durante toda la Edad Media que, como sabéis, fue la culpable de la paralización del saber de la Humanidad. Sin embargo, Lucrecio fue, una de las figuras más influyentes del Renacimiento.

Así pues, en un principio el atomismo vino al mundo como sistema filosófico. Del mismo modo que la simetría pitagórica había proporcionado un marco a Copérnico, la geometría había seducido a Kepler y el círculo perfecto aristotélico hechizo a Harvey, así los “indestructibles” átomos de los filósofos atrajeron a los físicos y a los químicos. Francis Bacon observó que “la teoría de Demócrito referida a los átomos es, si no cierta, al menos aplicable con excelentes resultados al análisis de la Naturaleza”.

Descartes

Descartes (1596-1650) inventó su propia noción de partículas infinitamente pequeñas que se movían en un medio que llamó éter. Otro filósofo francés, Pierre Gassendi (1592-1655), pareció confirmar la teoría de Demócrito y presentó otra versión más del atomismo, que Robert Boyle (1627-1691) adaptó a la química demostrando que los “elementos clásicos -tierra, aire, fuego y agua- no eran en absoluto elementales.

Las proféticas intuiciones de un matemático jesuita, R.G. Boscovich (1711-1787) trazaron los caminos para una nueva ciencia, la física atómica. Su atrevido concepto de “los puntos centrales” abandonaba la antigua idea de una variedad de átomos sólidos diferentes. Las partículas fundamentales de la materia, sugería Boscovich, eran todas idénticas, y las relaciones espaciales alrededor de esos puntos centrales constituían la materia… Boscovich que había llegado a estas conclusiones a partir de sus conocimientos de matemáticas y astronomía, anunció la íntima conexión entre la estructura del átomo y la del Universo, entre lo infinitesimal y lo infinito.

El camino experimental hacia el átomo fue trazado por John Dalton (1766-1844). Era este un científico aficionado cuáquero y autodidacta que recogió un sugestivo concepto de Lavoisier (1743-1794). Considerado una de los fundadores de la química moderna, Lavoisier, cuando definió un “elemento” como una sustancia que no puede ser descompuesta en otras sustancias por medio de ningún método conocido, hizo del átomo un útil concepto de laboratorio y trajo la teoría atómica a la realidad.

Dalton había nacido en el seno de una familia de tejedores de Cumberland, localidad inglesa situada en la región de los lagos, y estuvo marcada toda su vida por su origen humilde. A los doce años ya se encontraba a cargo de la escuela cuáquera de su pueblo. Después, comenzó a ejercer la enseñanza en la vecina Kendal, y en la biblioteca del colegio encontró ejemplares de los Principia de Newton, de las Obras de la Historia Natural de Buffón, así como un telescopio reflectante de unos setenta centímetros y un microscopio doble. Dalton recibió allí la influencia de John Gough, un notable filósofo natural ciego.

Dalton escribió a un amigo, “entiende muy bien todas las diferentes ramas de las matemáticas…Conoce por el tacto, el sabor y el olor de casi todas las plantas que crecen a casi treinta kilómetros a la redonda”. También Wordsworth elogia a Gough en su Excursión. Dalton recibió del filósofo ciego una educación básica en latín, griego y francés, y fue introducido en las matemáticas, la astronomía y todas las ciencias “de la observación”. Siguiendo el ejemplo de Gough, Dalton comenzó a llevar un registro meteorológico diario, que continuó hasta el día de su muerte.

Cuando los “disidentes” fundaron su colegio propio en Manchester, Dalton fue designado profesor de matemáticas y de filosofía natural. Halló una audiencia muy receptiva para sus experimentos en la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester, y presentó allí sus Hechos extraordinarios concernientes a la visión de los colores, que probablemente fue el primer trabajo sistemático sobre la imposibilidad de percibir los colores, o daltonismo, enfermedad que padecían tanto John Dalton como su hermano Jonathan. “He errado tantas veces el camino por aceptar los resultados de otros que he decidido escribir lo menos posible y solamente lo que pueda afirmar por mi propia experiencia”.

  Al final del túnel oscuro de la ignorancia, siempre nos aguarda la luz del saber pero, hay que recorrer la distancia para alcanzar el resplandor el saber.

Dalton observó la aurora boreal, sugirió el probable origen de los vientos alisios, las causas de la formación de nubes y de la lluvia y, sin habérselo propuesto, introdujo mejoras en los pluviómetros, los barómetros, los termómetros y los higrómetros. Su interés por la atmósfera le proporcionó una visión de la química que lo condujo al átomo.

Newton había confiado en que los cuerpos visibles más pequeños siguieran las leyes cuantitativas que gobernaban los cuerpos celestes de mayor tamaño. La química sería una recapitulación de la Astronomía. Pero, ¿Cómo podía el hombre observar y medir los movimientos y la atracción mutua de estas partículas invisibles? En los Principios Newton había conjeturado que los fenómenos de la Naturaleza no descritos en este libro podrían “depender todos de ciertas fuerzas por las cuales las partículas de los cuerpos, debido a causas hasta ahora desconocidas, se impulsan mutuamente unas hacia otras y se unen formando figuras regulares, o bien se repelen y se apartan unas de otras.”

Dalton se lanzó a la búsqueda de “estas partículas primitivas” tratando de encontrar algún medio experimental que le permitiera incluirlas en un sistema cuantitativo. Puesto que los gases eran la forma de materia más fluida, más móvil, Dalton centró su estudio en la atmósfera, la mezcla de gases que componen el aire, el cual constituyó el punto de partida de toda su reflexión sobre los átomos.

“¿Por qué el agua no admite un volumen similar de cada gas?, preguntó Dalton a sus colegas de la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester en 1803. “Estoy casi seguro de que la circunstancia depende del peso y el número de las partículas últimas de los diversos gases; aquellos cuyas partículas son más ligeras y simples se absorben con más dificultad, y los demás con mayor facilidad, según vayan aumentando en peso y en complejidad.”

Teoría cinética de los Gases: La termodinámica se ocupa solo de variables microscópicas, como la presión, la temperatura y el volumen. Sus leyes básicas, expresadas en términos de dichas cantidades, no se ocupan para nada de que la materia esta formada por átomos. Sin embargo, la mecánica estadística, que estudia las mismas áreas de la ciencia que la termodinámica, presupone la existencia de los átomos. Sus leyes básicas son las leyes de la mecánica, las que se aplican en los átomos que forman el sistema.

Dalton había descubierto que, contrariamente a la idea dominante, el aire no era un vasto disolvente químico único sino una mezcla de gases, cada uno de los cuales conservaban su identidad y actuaba de manera independiente. El producto de sus experimentos fue recogido en la trascendental TABLE: Of the Relative Weights of Ultimate Particles of Gaseous and Other Bodies (“Tabla de los pesos relativos de las partículas últimas de los cuerpos gaseosos y de otros cuerpos”).

En las reacciones químicas, los átomos no se crean ni se destruyen, solamente cambian de distribución.

Finalmente trazará un programa de investigación que él mismo resume así: Es objetivo principal de este trabajo mostrar las ventajas que reporta la determinación precisa de los pesos relativos de las partículas últimas, tanto de los cuerpos simples como de los compuestos, determinar el número de partículas simples elementales que constituyen una partícula compuesta y el número mínimo de partículas compuestas que entran en la formación de una nueva partícula compuesta.

Tomando al Hidrógeno como número uno, Dalton detalló en esta obra veintiuna sustancias. Describió las invisibles “partículas últimas” como diminutas bolitas sólidas, similares a balas pero mucho más pequeñas, y propuso que se les aplicaran las leyes newtonianas de las fuerzas de atracción de la materia. Dalton se proponía lograr “una nueva perspectiva de los primeros principios de los elementos de los cuerpos y sus combinaciones”, que “sin duda…con el tiempo, producirá importantísimos cambios en el sistema de la química y la reducirá a una ciencia de gran simplicidad, inteligible hasta para los intelectos menos dotados”. Cuando Dalton mostró una “partícula de aire que descansa sobre cuatro partículas de agua como una ordenada pila de metralla” donde cada pequeño globo está en contacto con sus vecinos, proporcionó el modelo de esferas y radio de la química del siglo siguiente.

Dalton inventó unas “señales arbitrarias como signos elegidos para representar los diversos elementos químicos o partículas últimas”, organizadas en una tabla de pesos atómicos que utilizaba en sus populares conferencias. Naturalmente, Dalton no fue el primero en emplear una escritura abreviada para representar las sustancias químicas, pues los alquimistas también tenían su código. Pero él fue probablemente el primero que utilizó este tipo de simbolismo en un sistema cuantitativo de “partículas últimas”. Dalton tomó como unidad el átomo de Hidrógeno, y a partir de él calculó el peso de las moléculas como la suma de los pesos de los átomos que la componían, creando así una sintaxis moderna para la química. Las abreviaturas actuales que utilizan la primera letra del nombre latino (por ejemplo H2O) fueron ideadas por el químico sueco Berzelius (1779-1848).

Habiendo cumplido más de 350 años, la Institución que presidiera Newton “Real Sociedad de Londres para el Avance de la Ciencia Natural” más conocida como “Royal Society”, sigue en plena forma y ostenta el respetado título de Sociedad más Antigua. ¡Si nos pudiera contar todo lo que allí se vivió”.

La teoría del átomo de Dalton no fue recibida en un principio con entusiasmo. El gran sir Humphry Davy desestimó inmediatamente sus ideas tachándolas de “más ingeniosas que importantes”. Pero las nociones de Dalton, desarrolladas en A New System of Chemical Philosophy (1808), eran tan convincentes que en 1826 le fue concedida la medalla real. Como Dalton no olvidó nunca su origen plebeyo, permaneció siempre apartado de la Royal Society de Londres, pero fue elegido miembro, sin su consentimiento, en 1822. Receloso del tono aristocrático y poco profesional de la Sociedad, él se encontraba más a gusto en Manchester, donde realizó la mayor parte de su obra, colaboró con Charles Babage y contribuyó a fundar la Asociación Británica para el Progreso de la Ciencia, cuyo objetivo era llevar la ciencia hasta el pueblo. Los newtonianos partidarios de la ortodoxia religiosa no creían que Dios hubiera hecho necesariamente sus invisibles “partículas últimas” invariables e indestructibles. Compartían con Isaac Newton la sospecha de que Dios había utilizado su poder “para variar las leyes de la Naturaleza y crear mundos diversos en distintos lugares del Universo”.

Las verdaeras investigaciones sobre el átomo comenzaron en el siglo XVII, cuando los experimentos de Robert Boyle dieron nuevo impulso a la investigación de las intimidades de la materia. En 1803, el científico inglés John Dalton propuso por primera vez, la teoría de que cada elemento tiene un tipo particular de átomo y que cualquier cantidad de un mismo elemento está formada por átomos idénticos. Lo que distingue a un elemento de otro es la naturaleza de sus átomos.

Si contáramos una sinapsis cada segundo, tardaríamos 32 millones de años en hacer el recuento

“Tanto Estados Unidos como la Unión Europea tienen en marcha proyectos de investigación para lograr el máximo conocimiento sobre cerebro humano y su funcionamiento.”

Satélite Gravity Probe B. Dedicado a medir la curvatura del campo gravitatorio terrestre debido a la teoría de la Relatividad de Einstein. La gravedad ha sido medida y comprobada de muchas maneras pero… ¡Gravedad cuántica! ¿qué es eso? La imaginación anda más rápida que los conocimientos. Sin embargo, así hemos ido avanzando en el transcurrir del Tiempo.

La llamada gravedad cuántica trata de fundir en una sola las dos teorías físicas más soberbias con las que contamos, la Relatividad general y la Mecánica cuántica, que en el estado actual de nuestro conocimiento parecen incompatibles. Su estudio, ahora mismo, es en algunos aspectos análogo a la física de hace cien años, cuando se creía en los átomos, pero se ignoraban los detalles de su estructura.

La Teoría de la quinta dimensión de Kaluza-Klein

Desde aquel día en que Kaluza, le escribió a Einstein una carta con su teoría de las cinco dimensiones, en la que unía la Gravedad con el Electromagnetismo, la puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y a los teóricos se les regaló una herramienta maravillosa: el hiperespacio; todo es posible. Hasta el matrimonio de la Relatividad general y la mecánica cuántica, allí sí es posible encontrar esa soñada teoría de la gravedad cuántica.

Así que las teorías se han embarcado a la búsqueda de un objeto 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.

Claro que saber, lo que el Universo es, leyendo una ecuación, por muy ingeniosa que ésta sea y por mucho que la misma pueda abarcar… Parece poco probable. ¿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, la máquina más potente del mundo hasta el momento.

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!

A pesar de su grandeza, se queda corto para que nos pueda decir, lo que necesitamos saber: Nos habló del Bosón de Higgs y supo contestar otras muchas preguntas. Ahora, entre otras cosas, está afanado en buscar la partícula oscura que conforma esa supuesta materia.

Se decía que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las partículas que carecen de ella, disfrazando así la verdadera simetría del mundo. Cuando su autor lanzó la idea a la comunidad científica, resultó además de nueva, muy extraña. El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resultó 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, sospechando que después de los quarks puede haber algo más.

Nos dicen que existen lugares que llaman los “Océanos de Higgs“, y, por ellos, circula libremente el dichoso Bosón que, también según nos dicen, proporciona la masa al resto de las partículas. Todo el Universo está permeado por esa especie de sustancia -como el viejo éter- que los griegos llamaban Ylem cósmico y que, a medida que el tiempo avanza, le vamos cambiando el nombre. Pues bien, ahí, en ese “océano” dicen que está el Bosón dador de masas.

           Hemos sabido montar un escenario completo de como podría haber sucedido todo

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 otras veces, tales como: del campo gravitatorio o del electromagnético.

Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquirirá energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra. 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) en los aceleradores, 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 ahora no tenemos ni idea de qué reglas controlan los incrementos de masa generados por Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC), pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas ­­- las masas de los W⁺, W^-, Z⁰, y el up, down, encanto, extraño, top y bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van desde 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 electromagnética y débil. En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa – los W⁺, W^-, Z⁰ y el fotón – que llevan la fuerza electrodébil. Además está el campo de Higgs, y rápidamente, los W y Z absorben 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 las teorías. Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

“¿Qué hace que el bosón de Higgs sea una partícula especial? No, no es que un editor le pusiera un título llamativo a la biografía del premio Nobel Leon Lederman. Tampoco lo es que encontrar esta partícula nos permita entender la condensación del campo de Higgs que llevó a que las partículas ganaran masa. Incluso en las teorías sin Higgs o con un Higgs compuesto, la condensación del campo de Higgs y el proceso de ruptura espontánea de la simetría se da igualmente y de forma muy similar (pues hay muchas pruebas indirectas de este fenómeno).

Tampoco el Higgs es una partícula especial porque sea una excitación del del campo de Higgs que nos permita explorar sus propiedades, porque en las teorías sin Higgs o con Higgs compuesto también hay excitaciones del vacío que nos permiten explorar el campo.”

Eso nos dicen en el magnifico Blog de Francis (th)E mule Science’s News.

Partícula	Símbolo	Masa (en GeV/c2)	Carga eléctrica	Espín	Interacción
Fotón		0	0	1	electromagnética
Bosón W	W±	80,4	± 1	1	débil
Bosón Z	Z0	91,187	0	1	débil
Gluón	g	0	0	1	fuerte

Las masas de los W y 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 Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera está libre de infinitos.

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista de cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una voz potente y segura nos dice “¡Higgs!”. Durante más de sesenta años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo de Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la materia?

Es cierto que la masa aumenta con la velocidad

 

 

 

 La famosa ecuación E = mc² que, en resumidas cuentas, refleja que la energía contenida en un objeto equivale a su masa, multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Como la velocidad de la luz es una cifra inmensa (ronda los 300.000 km/s) esta ecuación sugiere que hasta los objetos más pequeños encierran en su interior cantidades enormes de energía.

Pero también comenté que, originalmente, Einstein había escrito la ecuación «al revés», colocando la masa en función de la energía:

 

“Este matiz es importante porque demuestra que Einstein no intentaba reflejar la enorme cantidad de energía que hay contenida en un sistema que tiene una masa concreta, sino señalar que la masa de un objeto (o su inercia) es una manifestación directa de la cantidad de energía que lo compone, que es el concepto que conviene tener presente durante la entrada de hoy.

 

 

“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), multiplicado por la velocidad de la luz. De hecho, la versión de esta ecuación que todos conocemos (E = mc²) representa la energía que posee un objeto cuando está quieto (cuando v = 0 y, por tanto, pc = 0, así que E = mc² + 0).”

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente, y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen en entredicho que el concepto de masa sea un atributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que empleam cuando no saben hacerlo bien.

                                  ¿Sabremos alguna vez cómo adquieren masa las partículas?

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrínseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en la que los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

Una cosa más; hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad. Hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espín de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espín cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs da masa a los objetos donde quiera que estén y sin direccionalidad. Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” (sin dirección) por esa razón.

La interacción débil, recordaréis, fue inventada por E. Fermi para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV. Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón de Higgs origen de la masa… y algunas cosas más.

Hay que responder montones de preguntas: ¿cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs? y, lo que es más importante, ¿cuál es su masa? (Bueno, parece que, en el último experimento apareció se localizó un bosón con ~125 GeV que, según parece, podría ser el esquivo Hihhs)¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión del LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas o sólo las hace incrementarse? ¿Cómo podemos saber más al respecto? Cómo es su partícula, nos cabe esperar que la veremos ahora después de gastar más de 50.000 millones de euros en los elementos necesarios para ello.

El Higgs, como la “materia oscura” es una idea que libera a los cosmólogos al camuflar su ignorancia

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del universo, añadiendo pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

El campo de Higgs, tal como se lo concibe ahora, se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Éstas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el campo de Higgs. Por lo tanto, el cuado que las partículas y la cosmología pintan juntas de un universo primitivo puro y de resplandeciente simetría es demasiado caliente para Higgs. Pero cuando la temperatura cae bajo los 10^-5 grados Kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas. Así, por ejemplo, antes del Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada.

                           No, esto no es el Higgs, es, simplemente, una burbuja multicolor

El universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs (que “engorda” los W y Z, y por alguna razón ignora el fotón) y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe. Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza W⁺, W^-, Z⁰, y por otra parte una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si para algunas partículas del campo de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviera con dificultad y que les hiciera parecer que tienen mucha masa.  Para otras partículas, el Higgs es como el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.

Algunos dicen que las partículas se ven frenadas en el campo de Higgs y toman sus masas  al rosar con esa sustancia cósmico que forma el océano de Higgs. Por imaginación que no quede.

De todas formas, es tanta la ignorancia que tenemos sobre el origen de la masa que nos agarramos como a un clavo ardiendo, en este caso, a la partícula de Higgs, que algunos han llegado a llamar “la partícula divina”. Lo mismo nos pasa con la dichosa “materia oscura” para ocultar lo que no sabemos sobre la expansión del Universo.

Ya veremos en que queda todo esto

Arriba tenemos nada más y nada menos que: a John Mather, Carlo Rubbia, Martinus Veltman, Gerardus ‘t Hooft at the Lindau Nobel Meetings 2010. Si científicos  como ellos no vienen a nuestro rescate, y nos sacan del atolladero en el que estamos inmerso y hasta el cuelo de ignorancia…¡Mal hirán las cosas!

Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, introdujo la idea en la física de partículas. La utilizaron los teóricos Steven Weinberg y Abdus Salam, que trabajaban por separado, para comprender cómo se convertía la unificada y simétrica fuerza electrodébil, transmitida por una feliz familia de cuatro partículas mensajeras de masa nula, en dos fuerzas muy diferentes: la QED con un fotón carente de masa y la interacción débil con sus W⁺, W^- y Z⁰ de masa grande. Weinberg y Salam se apoyaron en los trabajos previos de Sheldon Glashow, quien, tras los pasos de Julian Schwinger, sabía sólo que había una teoría electrodébil unificada, coherente, pero no unió todos los detalles. Y estaban Jeffrey Goldstone y Martinus Veltman y Gerard’t Hooft. También hay otros a los que habría que mencionar, pero lo que siempre pasa, quedan en el olvido de manera injusta. Además, ¿cuántos teóricos hacen falta para encender una bombilla? La verdad es que, casi siempre, han hecho falta muchos. Recordemos el largo recorrido de los múltiples detalles sueltos y físicos que prepararon el terreno para que llegara Einstein y pudiera, uniéndolo todo, exponer su teoría relativista.

Lo cierto es que (al menos de momento), la materia y energía oscura, las supercuerdas, y el bosón de Higss, sí son la alfonbra que decía Veltman, aquel físico serío y Premio Nobel que, no confesaba con ciertas ruedas de molino. Él, quería hablar de cosas tamgibles y, tampoco le gustaban las partículas virtuales. (Claro que ya nos han dicho que el Bosón de Higgs ha sido encontrado y, hasta le han dado un Nobel al suceso pero…).

                    Desde siempre, el miedo se ha nutrido de la ignorancia a lo que no conocemos

Sobre la idea de Peter Higgs, Veltman, uno de sus arquitectos, dice que es una alfombra bajo la que barremos nuestra ignorancia. Glashow es menos amable y lo llamó retrete donde echamos las incoherencias de nuestras teorías actuales. La objeción principal: que no tenemos la menor prueba experimental. Ahora, por fin, la tendremos con el LHC. El modelo estándar es lo bastante fuerte para decirnos que la partícula de Higgs de menor masa (podría haber muchas) debe “pesar” menor de 1 TeV, ¿por qué?; si tiene más de 1 TeV el modelo estándar se vuelve incoherente y tenemos la crisis de la unitariedad.

Después de todo esto, llego a la conclusión de que el campo de Higgs, el modelo estándar y nuestra idea de como surgió el Universo no dependen de creamos haber encontrado el bosón de Higgs.  Ahora, por fin, tenemos un acelerador con la energía necesaria para que nos pueda responder muchas preguntas planteadas que no tenían contestación, y que con su potencia pueda desvelar para nosotros cosas nuevas que intuimos que están ahí. Sin embargo, se necesitarán muchas más energías  que 14 TrV.

emilio silvera

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Estos son los hipotéticos agujeros de gusano que nos podrían llevar a lugares lejanos del nuestro en poco tiempo y burlando la velocidad de la luz que nuestro Universo impone como límite para viajar por el espacio en una nave espacial y que, sin embargo, tal imposibilidad se podría esquivar si estos extraños túneles pudieran hacerse realidad algún día para permitirnos desplazarnos por el inmenso espacio que, de otra manera, se nos haría difícil de dominar.

Hay que entender que el espacio–tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo. De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que sucesos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar.

El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como lo son las posiciones en el espacio tridimensional (Euclides), y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio–tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio–tiempo se denomina por el nombre de línea de universo. La relatividad general nos explica lo que es un espacio–tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.

Los modelos de universo que pudieran ser en función de la Densidad Crítica (Ω) sería plano, abierto o cerrado. La Materia tiene la palabra para determinar finalmente en qué clase de universo estamos. Es la materia la que determina, en realidad, la curvatura del espacio y la distorsión del tiempo conforme a su densidad.

La curvatura del espacio–tiempo es la propiedad del espacio–tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos. La relatividad general de Einstein, nos explica y demuestra que el espacio–tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el universo, y nos dice que el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o galaxias (entre otros).

En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180°. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran. Esto es, en esencia, lo que ocurre en relatividad general.

                 El Universo será el que determine la materia que contiene

Los Modelos Cosmológicos son variados y todos, sin excepción, nos hablan de una clase de universo que está conformado en función de la materia que en él pueda existir, es decir, eso que los cosmólogos llaman el Omega negro. La Materia determinará en qué universo estamos.

“Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker. Este modelo fue desarrollado principalmente por Alexander Friedman (1922-1924), pero posteriormente y de manera independiente otros físicos como Georges Lemaître (1927), Howard Percy Robertson y Arthur Geoffrey Walker (1935), quienes ampliaron conceptos dentro de ella. Esta modelo supone un universo homogéneo e isótropo, es decir, un universo de densidad de materia constante. En sí mismo es una aproximación útil para poder deducir la forma del universo y tratar de manera sencilla la cosmología, siendo por ello esta métrica la base de la teoría del Big Bang.”

Ecuación de Friedman

En los modelos cosmológicos más sencillos basados en los modelos de Friedmann, la curvatura de espacio–tiempo está relacionada simplemente con la densidad media de la materia, y se describe por una función matemática denominada métrica de Robertson–Walker. Si un universo tiene una densidad mayor que la densidad crítica, se dice que tiene curvatura positiva, queriendo decir que el espacio–tiempo está curvado sobre sí mismo, como la superficie de una esfera; la suma de los ángulos de un triángulo que se dibuje sobre la esfera es entonces mayor que 180°. Dicho universo sería infinito y se expandiría para siempre, es el universo abierto. Un universo de Einstein–de Sitter tiene densidad crítica exacta y es, por consiguiente, espacialmente plano (euclideo) infinito en el espacio y en el tiempo.

La geometría del espacio-tiempo en estos modelos de universos está descrita por la métrica de Robertson-Walker y es, en los ejemplos precedentes, curvado negativamente, curvado positivamente y plano, respectivamente (Alexander AlexandrovichFriedmann). Y, las tres representaciones gráficas de los espacios que dan lugar a los tres posibles formas de universo antes referida en función de la densidad crítica que hará un universo plano, un universo abierto o un universo curvo y cerrado.

No dejan de sacar punta al “lápiz” de la relatividad de Einstein buscándole fallos y contradicciones. Lo cierto es que un muón que viajó en el LHC a velocidades relativistas, aumentó su masa muchas veces y, también se ha comprobado que el tiempo se ralentiza cuando la velocidad se acerca a la de la luz. Ningún cuerpo humano podría soportar tal velocidad y, el ejemplo no parece que sea el más adecuado para contradecir la teoría.

Hemos mencionado antes la relatividad del tiempo que para el mismo suceso será distinto en función de quién sea el que cronometre; por ejemplo, el tiempo transcurre más despacio para el astronauta que en nave espacial viaja a velocidades próximas a c, la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, en el caso antes señalado, el tiempo del astronauta viajero avanza más lentamente en un factor que denotamos con la ecuación , cuando lo mide un sistema de referencia que viaja a una velocidad v relativa al otro sistema de referencia; c es la velocidad de la luz. Este principio ha sido verificado de muchas maneras; por ejemplo, comparando las vidas medias de los muones rápidos, que aumentan con la velocidad de las partículas en una cantidad predicha en este factor de la anterior ecuación.

Esto sólo se representa como ejemplo de lo que pasaría si tal viaje fuera posible

Un ejemplo sencillo de la dilatación del tiempo es la conocida paradoja de los gemelos. Uno viaja al espacio y el otro lo espera en la Tierra. El primero hace un viaje a la velocidad de la luz hasta Alfa de Centauri y regresa. Cuando baja de la nave espacial, tiene 8’6 años más que cuando partió de la Tierra. Sin embargo, el segundo gemelo que esperó en el planeta Tierra, al regreso de su hermano, era ya un  anciano jubilado. El tiempo transcurrido había pasado más lento para el gemelo viajero. Parece mentira que la velocidad con la que podamos movernos nos puedan jugar estas malas pasadas.

Otra curiosidad de la relatividad especial es la que expresó Einstein mediante su famosa fórmula de E = mc², que nos viene a decir que masa y energía son dos aspectos de una misma cosa. Podríamos considerar que la masa (materia), es energía congelada. La bomba atómica demuestra la certeza de esta ecuación.

Durante diez días del mes de enero de 1999 astrofísicos italianos y estadounidenses efectuaron un experimento que llamaron Boomerang. El experimento consistió en el lanzamiento de un globo con instrumentos que realizó el mapa mas detallado y preciso del fondo de radiación de microondas (CMB) obtenido hasta el momento. Su conclusión: el universo no posee curvatura positiva o negativa, es plano.

La densidad crítica está referida a la densidad media de materia requerida para que la gravedad detenga la expansión de nuestro universo. Así que si la densidad es baja se expandirá para siempre, mientras que una densidad muy alta colapsará finalmente. Si tiene exactamente la densidad crítica ideal, de alrededor de 10^-29 g/cm³, es descrito por el modelo al que antes nos referimos conocido como de Einstein–de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos.

La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro universo representa sólo el 20% del valor crítico. Puede haber, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la densidad hasta el valor crítico. Las teorías de universo inflacionario predicen que la densidad presente debería ser muy aproximada a la densidad crítica; estas teorías requieren la existencia de materia oscura.

Se ha llegado a dar la noticia y a que esta sea publicada, en relación a unos hipotéticos “filamentos de materia oscura” descubiertos entre galaxias pero, a pesar de las declaraciones de los autores…:

“Los cúmulos de galaxias atraen constantemente a nuevas galaxias y grupos de galaxias a lo largo de los filamentos de materia oscura, como si fuesen ‘carreteras galácticas’. Por lo tanto, los filamentos son fundamentales en el crecimiento de la estructura del universo, desde las estructuras más jóvenes hasta la actualidad”

Particularmente dejo la noticia en cuarentena y espero otras versiones más contrastadas y creíbles de que la materia oscura está ahí fuera, en el espacio.

Si no emite radiación, si es transparente (o invisible), su no sabemos de qué partículas está hecha, si le adjudicamos la propiedad de que emite Gravedad, si no la podemos captar con nuestros aparatos tecnológicos… ¿No estamos hablando de conjeturas?

Mencionamos ya la importancia que tiene para diseñar un modelo satisfactorio del universo, conocer el valor de la masa total de materia que existe en el espacio. El valor de la expansión o de la contracción del universo depende de su contenido de materia. Si la masa resulta mayor que cierta cantidad, denominada densidad crítica, las fuerzas gravitatorias primero amortiguarán y luego detendrán eventualmente la expansión. El universo se comprimirá en sí mismo hasta alcanzar un estado compacto y reiniciará, tal vez, un nuevo ciclo de expansión. En cambio, si el universo tiene una masa menor que ese valor, se expandirá para siempre. Y, en todo esto, mucho tendrá que decir “la materia oscura” que al parecer está oculta en alguna parte.

Conforme a lo antes dicho, la densidad media de materia está referida al hecho de distribuir de manera uniforme toda la materia contenida en las galaxias a lo largo de todo el universo. Aunque las estrellas y los planetas son más densos que el agua (alrededor de 1 g/cm³), la densidad media cosmológica es extremadamente baja, como se dijo antes, unos 10^-29 g/cm³, o 10^-5 átomos/cm³, ya que el universo está formado casi exclusivamente de espacios vacíos, virtualmente vacíos, entre las galaxias. La densidad media es la que determinará si el universo se expandirá o no para siempre.

No dejamos de enviar ingenios al espacio para tratar de medir la Densidad Crítica y poder saber en qué clase de universo nos encontramos: Plano, cerrado o abierto.

En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio–tiempo, eso que conocemos como gravedad, una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).

Todos conocemos la teoría de Einstein y lo que nos dice que ocurre cuando grandes masas, como planetas, están presentes: Curvan el espacio que lo circundan en función de la masa. En la imagen se quiere representar tal efecto.

En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante.

                Todo está cohesionado por la fuerza de Gravedad que general los cuerpos y la materia

Esta fuerza es la responsable de tener cohexionado a todo el universo, de hacer posible que existan las galaxias, los sistemas solares y que nosotros mismos tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta Tierra, cuya gravedad tira de nosotros para que así sea.

Un sistema solar en el que los planetas aparecen cohexionados alrededor del cuerpo mayor, la estrella. Todos permanecen unidos gracias a la fuerza de Gravedad que actúa y los sitúa a las adecuadas distancias en función de la masa de cada uno de los cuerpos planetarios.

No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable.

              La imaginación no tiene límites y ha ideado escudos de energía para personas y naves

No pocas veces hemos querido utilizar la fuerza electromagnética para crear escudos a nuestro alrededor, o, también de las naves viajeras, para evitar peligros exteriores o ataques. Es cierto que, habiéndole obtenido muchas aplicaciones a esta fuerza, aún nos queda mucho por investigar y descubrir para obtener su pleno rendimiento.

La gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.

Los microscopios electrónicos de transmisión pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces. Un microscopio electrónico de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés, o MET, en español) es un microscopio que utiliza un haz de electrones para visualizar un objeto, debido a que la potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la longitud de onda de la luz visible.

Para saber dónde se encuentra una partícula hay que iluminarla. Pero no se puede utilizar cualquier tipo de luz: hay que usar luz cuya longitud de onda sea por lo menos, inferior a la partícula que se desea iluminar. Pero sucede que cuanto más corta es la longitud de onda, más elevada es la frecuencia, de modo que esa luz transporta una muy elevada energía. Al incidir sobre la partícula ésta resulta fuertemente afectada.

El científico puede finalmente averiguar donde esta la partícula, pero a cambio de perder toda información acerca de su velocidad. Y a la inversa, si consigue calcular la velocidad, debe renunciar a conocer su posición exacta.

Es el Principio de Indeterminación de Heisenberg el que nos dijo que nunca podríamos saberlo todo al mismo tiempo. Si sabemos una cosa no podemos saber la otra. En el Universo y en todo lo que nos rodea existe ese principio de Incertidumbre que nos deja “ver” algo y nos oculta mucho más de lo que alcanzamos a ver.

            Por muy atentamente que fijemos la mirada en el Universo… ¡Hay tanto que se nos escapa!

Existen en el Universo configuraciones de fuerzas y energías que aún no podemos comprender. La vastedad de un Universo que tiene un radio de 13.700 millones de años, nos debe hacer pensar que, en esos espacios inmensos existen infinidad de cosas y se producen multitud de fenómenos que escapan a nuestro entendimiento.

Son fuerzas descomunales que, como las que puedan emitir agujeros negros gigantes, estrellas de neutrones magnetars y explosiones de estrellas masivas en supernovas que, estando situadas a miles de millones de años luz de nuestro ámbito local, nos imposibilita para la observación y el estudio a fondo y sin fisuras, y, a pesar de los buenos instrumentos que tenemos hoy, siguen siendo insuficientes para poder “ver” todo lo que ahí fuera sucede, grandes emisiones de Ultravioleta en estrellas enanas blancas, i, de rayos gamma en explosiones lejanas.

¡El Universo! Todo lo que existe.

emilio silvera

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La MATERIA – ¿viva? ¿inerte? -

“Cuando hablamos de materia inerte, nos referimos a todos los cuerpos y sustancias que no forman parte de un organismo viviente, o sea, que no se encuentran insertos en algún ciclo de vida: nacer, crecer, reproducirse y morir. En ese sentido, la materia inerte se contrapone a la materia viva o a los seres vivos.

El mundo está compuesto por seres vivos y cosas inanimadas, en diversos mecanismos de interacción. Mientras los primeros poseen movimiento voluntario y requieren de un balance interior para preservar su energía y continuar existiendo, la materia inerte se encuentra sometida únicamente a las fuerzas físicas elementales y a los procesos de transformación (biológicos o no), sin que intervenga en ello ningún tipo de voluntad, de necesidad vital o semejantes.

La materia inerte se llama así porque no presenta movimiento, ni voluntad, lo que demuestra una existencia pasiva en el universo, en comparación a la activa de los seres vivos.”

Los seres vivos y la materia inerte se vinculan de distintos modos, como pueden ser:

• “Nutrición. Si bien los seres vivos están compuestos de materia orgánica, también debemos consumir determinada materia inerte, es decir, elementos específicos que nos permiten mantener la homeostasis, o sea, el equilibrio bioquímico. Por ejemplo, los seres vivos no podemos vivir sin agua, pero ésta no es un ser vivo.
• Síntesis bioquímica. Los organismos vivientes no solo absorben materia inerte para nutrirse, sino que cambian la configuración de dicha materia mediante sus procesos metabólicos. Así, los organismos pueden construir moléculas orgánicas a partir de elementos dispersos (como hacen las plantas con la fotosíntesis), alterando la constitución de la materia inerte a su alrededor.
• Descomposición. La vida, sin embargo, termina siempre y las moléculas orgánicas que componían el cuerpo de los seres vivos se descomponen por acción de otros organismos y de los elementos naturales, volviendo a ser sustancias más básicas y convirtiéndose, eventualmente, en materia inerte.”

“Los ejemplos de materia inerte son sumamente abundantes en nuestra vida cotidiana. Las piedras, los metales, el concreto, el plástico, el petróleo, la cerámica, el vidrio, el papel, todo ello son formas de materia inerte. También lo son los objetos que fabricamos con ellos: estatuas, cañerías, edificios, juguetes, poliésteres, tazas, platos, vasos, espejos, libros y un enorme etcétera.”

Nada de lo que ahí podemos ver tiene la facultad de pensar pero… ¿Es inerte?

Está claro que aquí trataremos sobre la física y la naturaleza de la materia que, por lo menos yo, no tengo muy claro que sea “inerte”, ya que la vida, tal como la conocemos, sin lugar a ninguna duda proviene de esa mal llamada materia inerte que, en su momento y mediante unos procesos y circunstancias muy especiales, en presencia de agua, elementos diversos que como un caldo primordial fueron bombardeados por los rayos cósmicos provenientes del espacio exterior, dio lugar a esa primera célula que nos trajo millones de años después a nosotros, los humanos.

Los físicos utilizando tecnologías avanzadas y muy poderosas, han investigado y experimentado creando en los laboratorios y aceleradores de partículas las iniciales condiciones del Big Bang, mediante la fórmula de hacer chocar haces de protones (u otras partículas) que circulando a velocidades cercanas a la de la luz, hacen aparecer otras partículas más exóticas que están escondidas en el interior de los núcleos atómicos. De los escombros de esas colisiones sacan y obtienen datos de esos nuevos componentes de la materia; así han ido confeccionando la lista, cada vez más larga, de las familias de partículas elementales, unas más elementales que otras.

                  Mucho hemos avanzado desde el primario modelo atómico de Thomson

Siguiendo el camino marcado por J. J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr y James Chadwick, se continuó indagando en la estructura interna del modelo atómico descubierto por ellos y que nos hicieron ver que, lejos de ser el material constitutivo más elemental, los átomos están formados por un núcleo que contiene protones y neutrones, rodeados por un enjambre de electrones que describen órbitas a su alrededor.

Durante cierto tiempo muchos físicos pensaron que los protones, los neutrones y los electrones eran los átomos de Demócrito que, como sabemos hace ahora más de 2.000 años, intuyó que la materia estaba compuesta de infinitesimales partículas a las que dio ese nombre y que el creía que eran invisibles e indivisibles.

                                     No es el LHC pero también cumplió su cometido

El experimento en el Stanford Linear Accelerator Center de tecnología avanzada, exploró las entrañas de la materia y se pudo comprobar que los protones y neutrones no eran partículas fundamentales; demostraron que cada una de ellas estaban constituidas por partículas menores que, más tarde, Murray Gell-Mann, llamó quarks y que en esa primera fase se limitaron a dos formas o tipos, los denominados up (arriba) y los de nombre down (abajo), que se conformaban en tripletes para crear un protón: uud – dos quarks up y un quark down -, mientras que el neutrón estaba compuesto por ddu – dos quarks down y un quark up -.

Todo lo que vemos en la tierra o en el cielo resulta estar hecho de electrones que son leptones y de quarks que forman los nucleones, partículas que pertenecen a la familia de los hadrones: bariones y mesones. Toda la materia que podemos observar es bariónica; la otra, esa que se nos escapa, es la materia oscura de la que se hablará más adelante.

Según las energías de las que en este momento podemos disponer, no tenemos los medios técnicos ni energéticos para profundizar más y comprobar si existen partículas aún más pequeñas que los quarks. Existen teorías que postulan la existencia de filamentos o cuerdas vibrantes, que son cien mil veces menores que los quarks, muy masivas, que pudieran ser los componentes finales y más pequeños de la materia del universo, los ladrillos fundamentales de todo lo que existe. Está por ver, y a lo largo de éste trabajo trataré de explicar y profundizar en esta interesante teoría del todo que pretende, nada más y nada menos que unificar todas las fuerzas de la naturaleza, o lo que es lo mismo, unir la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad general, algo hasta el momento imposible.

A mediados de la década de los 50, Frederick Reines y Clyde Cowan encontraron pruebas experimentales concluyentes de la existencia de un cuarto tipo de partícula fundamental, llamada neutrino, de cuya existencia ya hizo vaticinio y predijo el físico Wolfgang Pauli a principios de la década de 1.930. Al tener poca o masa nula, son muy difíciles de encontrar; recorren el espacio a la velocidad de la luz y su inconsistencia les permite atravesar fácilmente incluso un hipotético muro de miles de kilómetros de plomo sin que en su movimiento se produzca el menor efecto. De hecho, nuestro planeta y nosotros mismos somos atravesados por cientos de miles de neutrinos provenientes del Sol, sin que nos cause daño alguno.

Se pudo descubrir que los neutrinos son de tres tipos; electrónico (asociado al electrón, muónico (asociado al muón) y tauónico (asociado a la partícula tau). Todos, los seis, son los que forman la familia de los leptones.

Ahora, con el moderno LHC, y, sobre todo con la potencia descomunal de 14 TeV, estamos a la caza del Bosón de Higgs y, nuestra pretensión es la de ir mucho más allá hasta poder dar caza a las cuerdas vibrantes en la décima dimensión donde reside la teoría cuántica de la Gravedad.

emilio silvera

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No está completo el llamado Modelo Estándar que describe las partículas que forman la materia conocida y las fuerzas que intervienen e interaccionan con ellas.  La gravedad, quedó plasmada en la relatividad general de Einstein.

¿Por qué es incompleto el modelo estándar? Una carencia es que no se haya visto todavía el quark top.  Otra la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la Gravedad.  Otro defecto estético es que no es lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua, de Empédocles.  Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar.

Materia

Leptones levógiros                                                  Leptones dextrógiros

Antimateria

“Sin embargo, se verificó experimentalmente que la interacción nuclear débil viola la simetría P: se comporta diferente a su imagen especular. Esto supuso que otra simetría es violada para restaurar la simetría CPT. De esta manera la simetría CP y la simetría T se supusieron fundamentales. Experimentos sobre el kaón demostraron que el sector cuark viola la simetría CP, consecuentemente la simetría T, aunque esta última no pudo ser verificada experimentalmente debido a su dificultad.”

Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la Gravedad que, con enorme simpleza y aplicando principios naturales, trata los temas más profundos del Universo.

Esperemos que continué desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, todas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al Universo.

A todo esto y como he dicho, el quark top está perdido y el neutrino tau, no se ha detectado directamente, y muchos de los números que nos hacen falta conocer los tenemos de forma imprecisa.  Por ejemplo, no sabemos si los neutrinos tienen alguna masa en reposo.

Tenemos que saber cómo la violación de la simetría CP (el proceso que originó la materia) aparece, y, lo que es más importante, hemos de introducir un nuevo fenómeno, al que llamamos campo de Higgs, para preservar la coherencia matemática del modelo estándar.  La idea de Higgs, y su partícula asociada, el bosón de Higgs, cuenta en todos los problemas que he mencionado antes.  Parece, con tantos parámetros imprecisos (19) que, el modelo estándar se mueve bajo nuestros pies.

Nambu, Kobayashi y Maskawa, los premios NObel por descubrir la ruptura espontánea de la simetría

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 “supergravedad”, “súper-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!

¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas?

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 intento 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 acelerador de partículas LHC, y, según dicen los teóricos, se necesitaría la energía de Planck (10¹⁹ GeV) para poder llegar a las cuerdas vibrantes.

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!

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las otras partículas y 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 resultó 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.

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.

Sabemos que la masa aumenta con la velocidad, ¿No sería posible que los bosones de Higgs cedieran masas a las partículas cuando éstas, navegando por el océano de Higgs interaccionan con éste y se ven frenadas? Bueno, esa es la teoría de un contertulio que ahora anda perdido.

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.

Esa hipotética masa que permea todo el espacio “vacío” según se cree, reside en los océanos de Higgs, esos inmensos campos que contiene infinidad de secretos que debemos desvelar y, para eso, se ha construído el LHC que tratará, dentro de lo posible de responder alguinas preguntas.

emilio silvera

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Decíamos en ocasiones anteriores…

Inmersos en nuestras vidas cotidianas con los problemas que todos arrastramos: Rl trabajo, la hipoteca, el niño que no estudia, el novio de la niña que no tiene porvenir, la abuela cada día está peor, el coche de 14 años jay que cambiarlo….

En realidad, si nos detenemos a pensar detenidamente y en profundidad en el entorno en que nos encontramos, una colonia de seres “insignificantes”, pobladores de un “insignificante” planeta, de un sistema solar dependiente de una estrella mediana, amarilla, del tipo G-2, nada especial y situada en un extremo de un brazo espiral, en la periferia (los suburbios del Sistema Solar) de una de entre miles de millones de galaxias… si pensamos en esa inmensidad, entonces caeremos en la cuenta de que no somos tan importantes, y el tiempo que se nos permite estar aquí es un auténtico regalo.

El Tiempo Pasado que nunca volverá, simplemente lo llevamos en el recuerdo si lo vivimos y, en la Historia suçi fue el Tiempo de otros.

El Presente, como su nombre indica, es un regalo. Es el Tiempo que tenemos para poder realizar los sueños. Todo lo que no hagamos en el Presente… ¡Nunca podrá existir! Tener un hijo, escribir un libro…

El Futuro, ese Tiempo por venir, el que no existe y está por construir, el que no podemos conocer y sólo imaginarlo podemos. El Futuro es el Tiempo que estamos diseñando en el Presente, y, nunca podremos estar seguro de cómo será. El Azar y lo imprevisto puede cambiar el rumbo y traer un Futuro inesperado.

El futuro es el Tiempo que nunca podremos conocer, cuando llegue, no estaremos aquí, será el Presente de otros. Nosotros estamos confinados en un perpetuo Presente.

Según nos dicen, el Tiempo es relativo, no es igual para todos dependiendo de la situación del que lo observe, y, a veces, incluso puede transcurrir más lento si nuestra actividad lo provoca…

Ese tiempo, corto espacio de tiempo en relación al tiempo cosmológico, es por cierto un espacio suficiente para nacer, crecer, aprender, dejar huella de nuestro paso por este mundo a través de nuestros hijos y a veces (si somos elegidos) por nuestro trabajo, tendremos la oportunidad (casi siempre breve) de ser felices y muchas oportunidades para el sacrificio y el sufrimiento, y así irán pasando nuestras vidas para dejar paso a otras que, al igual que nosotros, continuaran el camino iniciado en aquellas cuevas remotas del pasado, cuando huyendo del frío y de los animales salvajes, nos refugiábamos en las montañas buscando cobijo y calor.

Podemos continuar diciendo ahora…

Han pasado muchos periodos de tiempo desde entonces, y la humanidad, en verdad, aprovechó el “tiempo”. No quiero decir que en todos los ámbitos humanos del comportamiento tengamos que felicitarnos, hay algunos (aún hoy) de los que el sonrojo es inevitable, pero eso es debido a que la parte animal que llevamos en nosotros está de alguna manera presente, y los instintos superan a veces a la racionalidad. Aún no hemos superado el proceso de humanización. Sin embargo, los logros conseguidos no han sido pocos; el “tiempo” está bien aprovechado si pensamos que hace sólo unos miles de años no sabíamos escribir, vagamos por los campos cazando y cogiendo frutos silvestres y no existían organizaciones sociales ni poblaciones.  Desde entonces, el salto dado en todos los campos del saber ha sido tremendo.

Ahora, pasado el tiempo, nuestra innata curiosidad nos ha llevado a descubrir que vivimos en un planeta que pertenece a una estrella de una galaxia que forma parte de un grupo de treinta galaxias (el “Grupo Local”) y que a su vez, están inmersas en un universo que cuenta con decenas de miles de millones de galaxias como la nuestra.

Hemos podido saber que ese universo está en expansión y que las galaxias se alejan las unas de las otras. Se ha podido deducir que el universo surgió de una explosión a la que llamamos el Big Bang hace ahora 13.500 millones de años. A partir de una singularidad, un punto de energía y densidad infinitas, surgió el universo que, desde entonces, junto con el espacio y el tiempo continúa expandiéndose.

Surgieron los primeros quarks libres que se juntaron para formar protones y neutrones que, a su vez, se unieron y formaron núcleos que, al tener energía positiva, atrajeron a los electrones, de energía negativa, formándose así lo átomos estables.

Los átomos se juntaron para formar moléculas y células y éstas, a su vez, juntas formaron materia. Al principio era todo simetría y existía una sola fuerza que lo regía todo. El universo era totalmente opaco, la temperatura reinante muy alta y todo estaba invadido por una especie de plasma.

Pero la expansión del joven universo continuó imparable. La temperatura fue descendiendo y la simetría se rompió, lo que dio lugar a que donde sólo había una sola fuerza aparecieran cuatro. Las fuerzas nucleares, fuerte y débil, el electromagnetismo y la gravedad surgieron de aquella simetría rota y como hemos dicho antes, surgieron los primeros quarks para, con los electrones, fabricar la materia que está hecha de quarks y leptones. Más tarde, la luz apareció al quedar libres los fotones y donde antes todo era opacidad, surgió la transparencia. Pasaron unos doscientos mil años antes de que nacieran las primeras estrellas y se formaran las galaxias.

Las estrellas evolucionaron y en sus hornos nucleares se fabricaron elementos más complejos que el primario hidrógeno; con la fusión nuclear en las estrellas se fabricó helio, litio, magnesio, neón, carbono, oxigeno, etc, etc. Estas primeras estrellas brillaron durante algunos miles de millones de años y, finalmente, acabado su combustible nuclear, finalizaron su ciclo vital explotando como supernovas lanzando al espacio exterior sus capas más superficiales y lanzando materiales complejos que al inmenso cosmos para hacer posible el nacimiento de nuevas estrellas y planetas y… a nosotros, que sin esas primeras estrellas que fabricaron los materiales complejos de los que estamos hecho, no estaríamos aquí.

Ese inmenso tiempo que hemos tenido desde que asombrados mirábamos brillar las estrellas sobre nuestras cabezas sin saber lo que eran, o bien, asustados nos encogíamos ante los rayos amenazadores de una tormenta o huíamos despavoridos ante el rugido aterrador de la Tierra con sus temblores de terremotos pavorosos o explosiones inmensas de enormes montañas que vomitaban fuego.

Desde entonces, hemos aprendido a observar con atención, hemos desechado la superstición, la mitología y la brujería para atender a la lógica y a la realidad de los hechos. Aprendimos de nuestros propios errores y de la naturaleza.

Como ya se dijo antes, ahora sabemos de dónde vinimos, qué debemos hacer para continuar aquí sin estropearlo todo y, seguramente, con poco margen de error podríamos decir también hacia dónde nos dirigimos.

Una de las propiedades del “tiempo” es que en su transcurrir pasan cosas. Estas cosas que pasan, estos sucesos, los reunimos y los guardamos, lo llamamos historia y nos sirven para recordar y aprender. De lo bueno que pasó para repetirlo y mejorarlo, de lo malo para procurar que no vuelva a ocurrir.

Pasado

Presente

Futuro

Eso, lo que ocurrió, es lo que llamamos pasado. Lo que ocurre ahora mismo, en este preciso instante, es lo que llamamos el presente, y lo que no ha ocurrido aún es lo que llamamos el futuro.

En realidad, como el tiempo nunca se para, el presente no existe, es algo tan efímero que ocurre y al instante es pasado, y entramos en el futuro que, a su vez, pasa vertiginoso por el instante “presente” que se convierte en “pasado” y rápidamente estamos en el “futuro”, otra vez. Así que, en verdad  ¿dónde estamos? Hay que mirar estos conceptos de manera muy amplia y a cierta distancia para que tengan sentido.

Lo hemos clasificado de muchas maneras y, hasta hemos tratado de cuantizarlo

El concepto de tiempo está enclavado en las profundidades y conceptos más avanzados de la física y la astronomía. Sin embargo, su verdadera naturaleza permanece en el misterio. Todo acontece con el transcurso del tiempo que es implacable y fluye continuamente y todo lo que existió, lo que existe y lo que existirá, está sometido a los efectos del tiempo que, desgraciadamente, sí podemos ver. La destrucción provocada por el paso del tiempo es muy real, y tanto en las cosas como en nosotros mismos, el resultado es el mismo: ¡la aniquilación y la muerte!

Hace mil quinientos años que San Agustín, filosofo y sabio obispo de Hipona, preguntó: “¿qué es el tiempo?” Y se respondió a sí mismo: “Si alguien me lo pregunta, sé lo que es. Pero si deseo explicarlo, no puedo hacerlo“.

Cuando nació el Universo dio comienzo esa enigmática aventura que llamamos Tiempo

El tiempo, desde “tiempos remotos“, ha sido una abstracción que ha cautivado e intrigado a las mentes humanas que han intentado entenderlo en todas las vertientes y en todos los sentidos. Del tiempo, las mentes más preclaras han intentado definir, en esencia, lo que es. La verdad es que, unos con más fortunas que otros, con más interés o con mejor lógica científica dejaron sus definiciones que, de todas formas, nunca llegaron a llenar ese vacío de una explicación convincente, sencilla, que todo el mundo comprenda y que esté basada en principios naturales que nos digan su origen, su transcurrir y, si es que lo hay, su final, porque ¿es el tiempo infinito?

Infinito, según las leyes de la física, no puede haber nada. Es un lugar que nunca podremos alcanzar porque no existe, y, como la nada y el vacío, son conceptos utilizados para expresar de manera gráfica lo que deseamos hacernos entender.

Ni siquiera el universo es infinito y, conforme determine la densidad crítica de la materia que contiene, un día dejará también de existir.

Luego si el tiempo nació con el Big Bang, es probable que finalice con el Big Crunch. Es una posibilidad.

Como antes explicaba, el pasar del tiempo es muy subjetivo dependiendo de la situación de quien lo percibe. Un minuto puede parecer eterno o un suspiro, dependiendo del estado de dolor o de felicidad de quien lo mide. También será relativo, no pasa a la misma velocidad para todos, depende de la velocidad a que esté viajando y de qué observador lo esté midiendo, como quedó demostrado con la teoría especial de la relatividad de Einstein.

                                      Galileo media el Tiempo con faroles, otros con espejos

Desde tiempos inmemoriales hemos querido medir el tiempo, el día y la noche, las estaciones, el sol, relojes de arena, etc, etc, hasta llegar a sofisticados aparatos electrónicos o atómicos que miden el tiempo cotidiano de los humanos con una exactitud de sólo un retrazo de una millonésima de un segundo cada 100 años.

Hemos inventado estas medidas de tiempo para controlar nuestras actividades cotidianas y nuestras vidas.

La medida de tiempo elegida es el segundo que, en las unidades del SI tiene el símbolo s y su duración es igual a la duración de: hertzios = 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133.

Reloj de Cesio

Reloj atómico cuyo funcionamiento se basa en la diferencia de energía entre dos estados del núcleo de cesio-133 cuando se sitúa en un campo magnético. En un tipo, los átomos de cesio-133 son irradiados con radiación de radiofrecuencia, cuya frecuencia es elegida para corresponder a la diferencia de energía entre dos estados. Algunos núcleos de cesio absorben esta radiación y son excitados al nivel superior. Estos átomos son desviados por otro campo magnético, que hace que choquen contra un detector. Una señal de ese detector es llevada al oscilador de radio frecuencia para evitar que se desplace de la frecuencia de resonancia de la que indicamos antes del orden de 9 192 631 770 hertzios. De este modo, el instrumento está fijado a esta frecuencia con una precisión mejor que una parte en 10¹³ (algo mayor que tera -T-).  Así, el reloj de cesio es utilizado en la definición del segundo en el SI (Sistema Internacional).

Como podemos ver, la imaginación humana no tiene límites, y si nos dan el “tiempo” suficiente, quien sabe hasta donde podremos llegar.

Si el Tiempo fuese una Entidad consciente y nos pudiera contar todo lo que vio

Como estamos comentando sobre cuestiones que están conectadas con lo que llamamos tiempo, es difícil que, al estar el tiempo siempre presente, ocurra algo que no tenga nada que ver con él, de alguna manera, el tiempo está presente.  Sin embargo, puede existir algún fenómeno que, de alguna manera, esquive al tiempo.

Los núcleos para formar átomos están rodeados por varios niveles de electrones y todos sabemos que un átomo es la parte más pequeña  que puede existir de un elemento, es la fracción mínima de ese elemento. Consta de un denso núcleo de protones y neutrones (los nucleones) rodeados de electrones moviéndose a velocidades cercanas a las de la luz. Es lo que se conoce como estructura electrónica del núcleo y que tiene que ver con los niveles de energía que los electrones ocupan.

Una vez dejada la reseña básica de lo que es el átomo y donde están situados los electrones por capas o niveles alrededor de su núcleo, veamos el fenómeno principal de este comentario referido a “esquivar el tiempo”.

Si un fotón viajero va por el espacio a 299.792’458 Km/s, velocidad de c, golpea a un electrón situado alrededor de un núcleo, lo que ocurre trae de cabeza a los científicos que no saben explicar de manera convincente la realidad de los hechos. El electrón golpeado absorbe el fotón y, de manera inmediata, desaparece del nivel que ocupa y, sin recorrer la distancia que los separa, simultáneamente aparece en el nivel superior.

¿Por dónde hizo el viaje? ¿En qué lugar se escondió mientras desapareció? ¿Cómo pudo aparecer simultáneamente en otro lugar, sin recorrer la distancia existente entre el nivel de partida y el de llegada? Y, ¿cómo esquivó el tiempo para que todo ocurriera simultáneamente?

Estas son preguntas que aún no podemos contestar, aunque sí es verdad que nos gusta especular con viajar en el tiempo, y lo del electrón, conocido como “efecto túnel” o salto cuántico, es una idea.

Necesitamos tiempo para cambiar las cosas. Sobre todo, la cultura científica de los pueblos.

Hemos de reconocer que no hemos tenido mucha suertew

Sinceramente creo que son los gobiernos los que fomentan este tipo de sociedades “no pensantes” que se pueden guiar fácilmente con los programas “basura” de las televisiones que facilitan y colaboran a que no levantemos cabeza.

¡¡ Es una pena!!

Un periodista que se precie debe estar vinculado a la verdad, sino…. ¡Es otra cosa!

Tenemos que desterrar esta situación de programas vacíos de contenido o prensa embrutecedora de los sentidos. Mejorar los hábitos y, desde pequeñitos, hacer que los niños lean mucho, que se interesen por las cosas verdaderamente importantes y que sientan dentro de su ser la curiosidad, la necesidad de saber.

Esta realidad se nos ocultó y sólo nos dieron escenas de balcones y palmeros engañados

Por otra parte, la pena que se siente por tal situación está fundada, principalmente, en la impotencia que produce el comprobar la cantidad de maravillas que se pierden este número inmenso de personas que, desgraciadamente, nunca disfrutarán de los enormes logros y descubrimientos científicos que desde hace miles de años, fueron y están siendo conquistados por la humanidad de la que forman parte.

Si preguntamos por el significado del Big Bang, la expansión del universo, cómo nacen y mueren las estrellas, qué es una singularidad, a qué se refiere la libertad asintótica de los quarks, qué son los nucleones, qué significan las constantes universales, qué es la mecánica quántica, el modelo estándar, la relatividad general, el significado de E = mc², el principio de incertidumbre, la función de onda de Schrödinger, la exclusión de Pauli, el cuanto de acción, h, o el límite, la energía o tiempo de Planck…, cualquiera de estas cuestiones, todas tan importantes, serán desconocidas para el 99’99% de los encuestados. ¡Una auténtica calamidad!

Esa es la penosa realidad en la que estamos inmersos. Esas personas desconocedoras de las preguntas de antes sí podrían contestar, en cambio, cualquier tema que se les plantee sobre una famosa cantante de la copla y de lo que hizo o dejó de hacer el novio vago de aquella famosilla por enseñar el culo y, en verdad, necesitamos políticos honrados para poder cambiar todo esto.

Para seguir avanzando habrá que eliminar esta clase de sociedad aberrante, lo que de nuevo nos lleva a la misma cruda realidad, necesitamos tiempo… y buena voluntad. Pero sigamos con lo nuestro.

El tiempo es una dimensión que permite distinguir entre dos sucesos que ocurren en el mismo punto del espacio y que de otra forma serían idénticos (espacio-tiempo). El intervalo entre dos de esos sucesos constituye la base de la medida del tiempo. Para propósitos generales, más cotidianos, la rotación de la Tierra sobre su eje sirve para definir las unidades del reloj (el día y la noche con 24 horas) y la órbita del planeta Tierra, alrededor del Sol, (el año) se utiliza para definir las unidades del calendario con 365 días. Para fines científicos, los intervalos de tiempo son ahora definidos mediante la frecuencia de una radiación electromagnética especificada*. También es interesante pararse a ver lo que es dilatación de tiempos, que en páginas anteriores explicamos que estaba dado en un factor . Por otra parte, podríamos hablar de la operación de reemplazar el tiempo t por el tiempo -t.  La simetría de la inversión temporal es conocida como invariancia.

Como estamos comentando asuntos diversos que de alguna manera pueden estar relacionados con el tiempo, y comentamos también las diversas perspectivas y formas o enfoques de mirar el tiempo, no me puedo resistir aquí una reseña de lo que es el…

Como estamos comentando asuntos diversos que de alguna manera pueden estar relacionados con el tiempo, y comentamos también las diversas perspectivas y formas o enfoques de mirar el tiempo, no me puedo resistir a explicar mañana lo que es el Tiempo de Planck.

emilio silvera

La medida de tiempo elegida es el segundo, que en las unidades del SI tiene el símbolo s y su duración es igual a la duración de: hertzios = 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133.

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Efecto túnel a través del espacio y del tiempo

En definitiva, estamos planteando la misma cuestión propuesta por Kaluza, cuando en 1.919 escribió una carta a Einstein proponiéndole su teoría de la quinta dimensión para unificar el electromagnetismo de James Clark Maxwell y la propia teoría de la relatividad general, ¿dónde está la quinta dimensión?, pero ahora en un nivel mucho más alto. Como Klein señaló en 1.926, la respuesta a esta cuestión tiene que ver con la teoría cuántica. Quizá el fenómeno más extraordinario (y complejo) de la teoría cuántica es el efecto túnel.

El efecto túnel se refiere al hecho de que los electrones son capaces de atravesar una barrera, al parecer infranqueable, hacia una región que estaría prohibida si los electrones fuesen tratados como partículas clásicas. El que haya una probabilidad finita de que un electrón haga un túnel entre una región clásicamente permitida a otra que no lo está, surge como consecuencia de la mecánica cuántica. El efecto es usado en el diodo túnel. La desintegración alfa es un ejemplo de proceso de efecto túnel.

Antes preguntábamos, en relación a la teoría de Kaluza-Klein, el destino o el lugar en el que se encontraba la quinta dimensión.

“En la teoría de Kaluza-Klein original, a una entidad geométrica de dimensión d convencionales, se les asocia una entidad de dimensionalidad d+1: Un “punto” de espacio-tiempo de cuatro dimensiones es una curva cerrada (d = 1), y la trayectoria (d=1) de dos partículas que colisionan puede estudiarse sobre dos tubos que se unen (d=2).”

“La teoría de Kaluza-Klein es una generalización de la teoría de la relatividad general. Fue propuesta por Theodor Kaluza (1919), y refinada por Oskar Klein (1926), y trata de unificar la gravitación y el electromagnetismo, usando un modelo geométrico en un espacio-tiempo de cinco dimensiones.”

La respuesta de Klein a esta pregunta fue ingeniosa al decir que estaba enrollada o compactada en la distancia o límite de Planck, ya que, cuando comenzó el Big Bang, el universo se expandió sólo en las cuatro dimensiones conocidas de espacio y una de tiempo, pero esta dimensión no fue afectada por la expansión y continua compactada en  cuyo valor es del orden de 10^-35 metros, distancia que no podemos ni tenemos medios de alcanzar, es 20 ordenes de magnitud menor que el protón que está en 10^-15 metros.

Pues las dimensiones que nos faltan en la teoría decadimensional, como en la de Kaluza-Klein, también están compactadas en una recta o en un círculo en esa distancia o límite de Planck que, al menos por el momento, no tenemos medios de comprobar dada su enorme pequeñez, menor que un protón. De hecho sería 0,00000000000000000000000000000000001 metros, lo que pone muy difícil que lo podamos ver.

¿Cómo pueden estar enrolladas unas dimensiones?

Bueno, igual que para explicar de manera sencilla la gravedad mediante el ejemplo de una sábana estirada por los 4 extremos, en la que ponemos un enorme peso en su centro y se forma una especie de hondonada que distorsiona la superficie antes lisa de la sábana, al igual que un planeta distorsiona el espacio a su alrededor, de manera tal que cualquier objeto que se acerca a la masa del objeto pesado, se ve atraído hacia él. Pues bien, en las dimensiones de espacio enrolladas, utilizamos el símil de la sábana con bandas elásticas en las esquinas.

La sábana que tenemos es pequeña y la cama es grande. Con esfuerzo logramos encajar las cuatro esquinas, pero la tensión es demasiado grande; una de las bandas elásticas salta de una esquina, y la sábana se enrolla. Este proceso se llama ruptura de simetría. La sábana uniformemente estirada posee un alto grado de simetría. Se puede girar la cama 180º alrededor de cualquier eje y la sábana permanece igual. Este estado altamente simétrico se denomina falso vacío. Aunque el falso vacío aparece muy simétrico, no es estable. La sábana no quiere estar en esta condición estirada. Hay demasiada tensión y la energía es demasiado alta. Pero la sábana elástica salta y se enrolla. La simetría se rompe y la sábana pasa a un estado de energía más baja con menor simetría. Si notamos la sábana enrollada 180º alrededor de un eje ya no volvemos a tener la misma sábana.

Por mucha imaginación que le queramos poner… ¡No encontramos las 10 dimensiones!

Reemplacemos ahora la sábana por el espacio-tiempo decadimensional, es espacio-tiempo de simetría definitiva. En el comienzo del tiempo, el universo era perfectamente simétrico. Si alguien hubiera estado allí en ese instante, podría moverse libremente y sin problemas por cualquiera de las diez dimensiones. En esa época, la gravedad y las fuerzas débiles y fuertes y electromagnéticas estaban todas ellas unificadas por la supercuerda. Sin embargo, esta simetría no podía durar. El universo decadimensional, aunque perfectamente simétrico, era inestable. La energía existente muy alta, exactamente igual que la sábana, estaba en un falso vacío. Por lo tanto, el paso por efecto túnel hacia un estado de menor energía era inevitable. Cuando finalmente ocurrió el efecto túnel, tuvo lugar una transición de fase y se perdió la simetría.

Puesto que el universo empezó a dividirse en un universo de cuatro y otro de seis dimensiones, el universo ya no era simétrico. Seis dimensiones se habían enrollado (como la sábana elástica). Pero nótese que la sábana puede enrollarse de cuatro maneras, dependiendo de qué esquina haya saltado. Para el universo decadimensional, sin embargo, existen aparentemente millones de modos de enrollarse. Para calcular qué estado prefiere el universo decadimensional, necesitamos resolver la teoría de campos de cuerdas utilizando la teoría de transiciones de fase, el problema más difícil en la teoría cuántica.

Las transiciones de fase no son nada nuevo. Trasladémoslo a nuestras propias vidas. En un libro llamado Pasajes, el autor, Gail Sheehy, destaca que la vida no es un flujo continuo de experiencias, como parece, sino que realmente pasa por varios estadios, caracterizados por conflictos específicos que debemos resolver y por objetivos que debemos cumplir.

El psicólogo Eric Ericsson llegó a proponer una teoría de estadios psicológicos del desarrollo. Un conflicto fundamental caracteriza cada fase. Si este conflicto no queda resuelto, puede enconarse e incluso provocar una regresión a un periodo anterior.

Análogamente, el psicólogo Jean Piaget demostró que el desarrollo mental de la primera infancia tampoco es un desarrollo continuo de aprendizaje, sino que está realmente caracterizado por estadios discontinuos en la capacidad de conceptualización de un niño. Un mes, un niño puede dejar de buscar una pelota una vez que ha rodado fuera de su campo de visión, sin comprender que la pelota existe aunque no la vea. Al mes siguiente, esto resultará obvio para el niño.

                         En nuestro Universo nada permanece y todo cambia con el paso del Tiempo

Esta es la esencia de la dialéctica. Según esta filosofía, todos los objetos (personas, gases, estrellas, el propio universo) pasan por una serie de estadios. Cada estadio está caracterizado por un conflicto entre dos fuerzas opuestas. La naturaleza de dicho conflicto determina, de hecho, la naturaleza del estadio. Cuando el conflicto se resuelve, el objeto pasa a un objetivo o estadio superior, llamado síntesis, donde empieza una nueva contradicción, y el proceso pasa de nuevo a un nivel superior.

Los filósofos llaman a esto transición de la “cantidad” a la “cualidad”.  Pequeños cambios cuantitativos se acumulan hasta que, eventualmente, se produce una ruptura cualitativa con el pasado. Esta teoría se aplica también a las sociedades o culturas. Las tensiones en una sociedad pueden crecer espectacularmente, como la hicieron en Francia a finales del siglo XVIII. Los campesinos se enfrenaban al hambre, se produjeron motines espontáneos y la aristocracia se retiró a sus fortalezas. Cuando las tensiones alcanzaron su punto de ruptura, ocurrió una transición de fase de lo cuantitativo a los cualitativo: los campesinos tomaron las armas, tomaron París y asaltaron la Bastilla.

Las transiciones de fases pueden ser también asuntos bastante explosivos. Por ejemplo, pensemos en un río que ha sido represado. Tras la presa se forma rápidamente un embalse con agua a enorme presión. Puesto que es inestable, el embalse está en el falso vacío. El agua preferiría estar en su verdadero vacío, significando esto que preferiría reventar la presa y correr aguas abajo, hacia un estado de menor energía. Así pues, una transición de fase implicaría un estallido de la presa, que tendría consecuencias desastrosas.

También podría poner aquí el ejemplo más explosivo de una bomba atómica, donde el falso vacío corresponde al núcleo inestable de uranio donde residen atrapadas enormes energías explosivas que son un millón de veces más poderosas, para masas iguales, que para un explosivo químico.  De vez en cuando, el núcleo pasa por efecto túnel a un estado más bajo, lo que significa que el núcleo se rompe espontáneamente. Esto se denomina desintegración radiactiva. Sin embargo, disparando neutrones contra los núcleos de uranio, es posible liberar de golpe esta energía encerrada según la formula de Einstein E = mc². Por supuesto, dicha liberación es una explosión atómica; ¡menuda transición de fase!

Las nuevas características descubiertas por los científicos en las transiciones de fases es que normalmente van acompañadas de una ruptura de simetría. Al premio Nobel Abdus Salam le gusta la ilustración siguiente: consideremos una mesa de banquete circular, donde todos los comensales están sentados con una copa de champán a cada lado. Aquí existe simetría. Mirando la mesa del banquete reflejada en un espejo, vemos lo mismo: cada comensal sentado en torno a la mesa, con copas de champán a cada lado.  Asimismo, podemos girar la mesa de banquete circular y la disposición sigue siendo la misma.

Rompamos ahora la simetría. Supongamos ahora que el primer comensal toma la copa que hay a su derecha. Siguiendo la pauta, todos los demás comensales tomaran la copa de champán de su derecha. Nótese que la imagen de la mesa del banquete vista en el espejo produce la situación opuesta.  Cada comensal ha tomado la copa izquierda. De este modo, la simetría izquierda-derecha se ha roto en la imagen especular.

Así pues, el estado de máxima simetría es con frecuencia también un estado inestable, y por lo tanto corresponde a un falso vacío. El niño acerca su mano derecha al espejo, y, su “amiguito” reflejado, le acerca la izquierda.

                                                   Una rica explosión imaginativa que no podemos verificar

Con respecto a la teoría de supercuerdas, los físicos suponen (aunque todavía no lo puedan demostrar) que el universo decadimensional original era inestable y pasó por efecto túnel a un universo de cuatro y otro de seis dimensiones. Así pues, el universo original estaba en un estado de falso vacío, el estado de máxima simetría, mientras que hoy estamos en el estado roto del verdadero vacío.

emilio silvera

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                  Lo cierto es que, la única variable encontrada es la de las distintas densidades de los cuerpos

Alain Turing, pionero de la criptografía, estaba fascinado por la idea de la gravedad variable de Dirac, y especuló sobre la posibilidad de probar la idea a partir de la evidencia fósil, preguntando si “un paleontólogo podría decir, a partir de la huella de un animal extinto, si su peso era el que se suponía”.

El gran biólogo J.B.S. Haldane se sintió también atraído por las posibles consecuencias biológicas de las teorías cosmológicas en que las “constantes” tradicionales cambian con el paso del tiempo o donde los procesos gravitatorios se despliegan de acuerdo con un reloj cósmico diferente del de los procesos atómicos (¿será precisamente por eso que la relatividad general – el cosmos –, no se lleva bien con la mecánica cuántica – el átomo –?).

Tales universos de dos tiempos habían sido propuestos por Milne y fueron las primeras sugerencias de que G podría no ser constante. Unos procesos, como la desintegración radiactiva o los ritmos de interacción molecular, podrían ser constantes sobre una escala de tiempo pero significativamente variables con respecto a la otra. Esto daba lugar a un escenario en el que la bioquímica que sustentaba la vida sólo se hacía posible después de una particular época cósmica, Haldane sugiere que:

“Hubo, de hecho, un momento en el que se hizo posible por primera vez vida de cualquier tipo, y las formas superiores de vida sólo pueden haberse hecho posibles en una fecha posterior.  Análogamente, un cambio en las propiedades de la materia puede explicar algunas de las peculiaridades de la geología precámbrica.”

La Naturaleza exige su tiempo para producir cambios

Este imaginativo escenario no es diferente del que ahora se conoce como “equilibrio interrumpido”, en el que la evolución ocurre en una sucesión discontinua de brotes acelerados entre los que se intercalan largos periodos de cambio lento. Sin embargo, Haldane ofrece una explicación para los cambios.

Lo que tienen en común todas estas respuestas a las ideas de Eddington y Dirac es una apreciación creciente de que las constantes de la naturaleza desempeñan un papel cosmológico vital:

Existe un lazo entre la estructura del universo en conjunto y las condiciones locales internas que se necesitan para que la vida se desarrolle y persista. Si las constantes tradicionales varían, entonces las teorías astronómicas tienen grandes consecuencias para la biología, la geología y la propia vida.

“Cuando se mira un girasol, se ven espirales a favor y en contra de las agujas del reloj, formadas por las semillas; las cantidades de cada una de ellas son términos consecutivos de la sucesión de Fibonacci. Los más frecuentes son los pares 21-34; 34-55; y 89-144. Lo mismo ocurre si observamos una piña, el número de espirales en uno y otro sentido son términos sucesivos de la famosa sucesión.”

No podemos descartar la idea ni abandonar la posibilidad de que algunas “constantes” tradicionales de la naturaleza pudieran estar variando muy lentamente durante el transcurso de los miles de millones de años de la historia del universo. Es comprensible por tanto el interés por los grandes números que incluyen las constantes de la naturaleza. Recordemos que Newton nos trajo su teoría de la Gravedad Universal, que más tarde mejora Einstein y que, no sería extraño, en el futuro mejorará algún otro con una nueva teoría más completa y ambiciosa que explique lo grande (el cosmos) y lo pequeño (el átomo), las partículas (la materia) y la energía por interacción de las cuatro fuerzas fundamentales.

Si la masa del protón o la carga del electrón variaran aunque sólo fuese una diezmillonésima parte… ¿La Vida no existiría! No se formarían los átomos que conforman todos los objetos conocidos como estrellas, galaxias y mundos.

Me referiré ahora aquí a un físico extraño. Se sentía igualmente cómodo como matemático, como físico experimental, como destilador de datos astronómicos complicados o como diseñador de sofisticados instrumentos de medida.

Tenía los intereses científicos más amplios y diversos que imaginarse pueda. Él decía que al final del camino todos los conocimientos convergen en un solo punto, el saber.

Así de curioso, ya podéis imaginar que fue uno de los que de inmediato se puso manos a la obra para comprobar la idea de la constante gravitatoria variable de Dirac que podía ser sometida a una gran cantidad de pruebas observacionales, utilizando los datos de la geología, la paleontología, la astronomía, la física de laboratorio y cualquier otro que pudiera dar una pista sobre ello. No estaba motivado por el deseo de explicar los grandes números. Hacia mediados de la década de los 60 hubo una motivación adicional para desarrollar una extensión de la teoría de la gravedad de Einstein que incluye una G variable. En efecto, durante un tiempo pareció que las predicciones de Einstein no coincidían en lo referente o sobre el cambio de órbita de Mercurio que era distinta a las observaciones cuando se tenía en cuentra la forma ligeramente achatada del Sol.

Robert Dicke, que este era el nombre del extraño personaje, y su estudiante de investigación Carl Brans, en 1.961, demostraron que si se permitía una variación de G con el tiempo, entonces podía elegirse un ritmo de cambio para tener un valor que coincidiera con las observaciones de la órbita de Mercurio. Lamentablemente, se descubrió que todo esto era una pérdida de tiempo. El desacuerdo con la teoría de Einstein a inexactitudes de nuestros intentos de medir el diámetro del Sol que hacían que este pareciera tener una forma de órbita diferente a la real. Con su turbulenta superficie, en aquel tiempo, no era fácil medir el tamaño del Sol. Así que, una vez resuelto este problema en 1.977, desapareció la necesidad de una G variable para conciliar la observación con la teoría.

“La hipótesis de los números grandes de Dirac (en inglés, Dirac large numbers hypothesis, o LNH) es una observación realizada por Paul Dirac en 1937 que relaciona las proporciones de escalas de tamaño en el Universo con las escalas de fuerza. Las proporciones constituyen números muy grandes y sin dimensiones: unos 40 órdenes de magnitud en la época cosmológica actual. De acuerdo con la hipótesis de Dirac, la similitud aparente de estas relaciones podría no ser una mera coincidencia, sino que podría implicar una cosmología con estas características inusuales:

• la fuerza de la gravedad, representada por la constante gravitacional, es inversamente proporcional a la edad del universo: {\displaystyle G\propto 1/t\,};
• la masa del universo es proporcional al cuadrado de la edad del universo: {\displaystyle M\propto t^{2}};
• las constantes físicas en realidad no son constantes. Sus valores dependen de la edad del Universo.”

Su número enorme ( NEdd) nos dice el número de protones del Universo y de electrones, es 10⁸⁰ y es_

15747724136275002577805653061181555468044717914527116709366231425076185631031296

De todas las maneras, lo anterior no quita importancia al trabajo realizado por Dicke que preparó una revisión importante de las evidencias geofísicas, paleontológicas y astronómicas a favor de posibles variaciones de las constantes físicas tradicionales. Hizo la interesante observación de explicar los “grandes números” de Eddington y Dirac bajo el apunte de que allí tenía que subyacer algún aspecto biológico que de momento no éramos capaces de ver.

“El problema del gran tamaño de estos números es ahora fácil de explicar… Hay un único número adimensional grande que tiene su origen estático. Este es el número de partículas del universo. La edad del universo “ahora” no es aleatoria sino que está condicionada por factores biológicos… porque algún cambio en los valores de grandes números impedirían la existencia del hombre para considerar el problema”.

Cuatro años más tarde desarrolló esta importante intuición con más detalle, con especial referencia a las coincidencias de los grandes números de Dirac, en una breve carta que se publicó en la revista Nature. Dicke argumentaba que formas de vidas bioquímicas como nosotros mismos deben su propia base química a elementos tales como el carbono, nitrógeno, el oxígeno y el fósforo que son sintetizados tras miles de millones de años de evolución estelar en la secuencia principal. (El argumento se aplica con la misma fuerza a cualquier forma de vida basada en cualesquiera elementos atómicos más pesados que el helio). Cuando las estrellas mueren, las explosiones que constituyen las supernovas dispersan estos elementos biológicos “pesados” por todo el espacio, de donde son incorporados en granos, planetesimales, planetas, moléculas “inteligentes” auto replicantes como ADN y, finalmente, en nosotros mismos que, en realidad, estamos hechos de polvo de estrellas.

Esta escala temporal está controlada por el hecho de que las constantes fundamentales de la naturaleza sean

t(estrellas) ≈ (Gm_p² / hc)^-1 h/m_pc² ≈ 10⁴⁰ ×10^-23 segundos ≈ 10.000 millones de años

No esperaríamos estar observando el universo en tiempos significativamente mayores que t(estrellas), puesto que todas las estrellas estables se habrían expandido, enfriado y muerto. Tampoco seríamos capaces de ver el universo en tiempos mucho menores que t(estrellas) porque no podríamos existir; no había estrellas ni elementos pesados como el carbono. Parece que estamos amarrados por los hechos de la vida biológica para mirar el universo y desarrollar teorías cosmológicas una vez que haya transcurrido un tiempo t(estrellas) desde el Big Bang.

Así pues, el valor que del gran número nos dio Dirac N(t) no es en absoluto aleatorio. Debe tener un valor próximo al que toma N(t) cuando t esta cercano el valor t(estrella).

Todo lo que la coincidencia de Dirac dice es que vivimos en un tiempo de la Historia Cósmica posterior a la formación de las estrellas y anterior a su muerte. Esto no es sorprendente. Dicke nos está diciendo que no podríamos dejar de observar la coincidencia de Dirac: es un requisito para que exista vida como la nuestra

De esta forma Dicke nos vino a decir que:

“Para que el universo del Big Bang contenga las ladrillos básicos necesarios para la evolución posterior de la complejidad biológica-química debe tener una edad al menos tan larga, como el tiempo que se necesita para las reacciones nucleares en las estrellas produzcan esos elaborados elementos.”

Esto significa que el universo observable debe tener al menos diez mil millones de años y por ello, puesto que se está expandiendo, debe tener un tamaño de al menos diez mil millones de años luz. No podríamos existir en un universo que fuera significativamente más pequeño.

Un argumento hermosamente simple con respecto a la inevitabilidad del gran tamaño del universo para nosotros aparece por primera vez en el texto de las Conferencias Bampton impartidas por el teólogo de Oxford, Eric Mascall. Fueron publicadas en 1956 y el autor atribuye la idea básica a Gerad Whitrow.

emilio silvera

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Cuando el Acelerador de partículas de Ginebra (el LHC), se pudo en marcha hace algunos, años os decía:

“El programa experimental del LHC. Demoslé un repaso.

                                   Se pudo en marcha un día 10 de Septiembre a las 9,30 horas del año 2008

“Es el mayor colisionador y acelerador de partículas del mundo, así como el más potente (la energía almacenada en él podría fundir hasta 50 toneladas de cobre.)

“CERN entrará en funcionamiento. Actualmente ya ha empezado el largo proceso de enfriar su enorme masa a las bajas temperaturas que permitirán el funcionamiento de los imanes superconductores a menos de 271 grados centígrados bajo cero, menos de dos grados por encima del cero absoluto. De esta manera empezará la colisión frontal de dos haces de protones de una energía jamás alcanzada en ningún laboratorio.”

“De hecho, sus medidas son sorprendentes: consta de un anillo de 27 kilómetros que se extiende entre el distrito de Gex (Francia) y el cantón de Ginebra (Suiza), y que está enterrado a entre 50 y 150 metros de profundidad. Dicho anillo está compuesto de imanes superconductores que se encuentran a una temperatura cercana al llamado “cero absoluto” (-273,15 ºC).”

       ¿Cómo son los imáanes del LHC?

“Esta temperatura es la necesaria para generar el vacío que permitirá la circulación de los haces de protones o de iones de plomo a una velocidad próxima a la de la luz. Gracias a estos procesos, los físicos esperan descubrir los secretos más íntimos de la materia, como si existe o no el hipotético bosón de Higgs  o si son posibles los viajes en el tiempo.”

Consta de varios experimentos como el CMS

“En general, un acelerador de partículas es un instrumento que utiliza campos electromagnéticos para acelerar las partículas subatómicas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, incluso cercanas a la de la luz.”

              Primeras pruebas a 13 TeV

“El LHC, en concreto, se diseñó para colisionar haces de protones de 7 Tev (teraelectronvoltios) de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar de la Física de Partículas,  que es el marco teórico actual de la física de partículas. En su fabricación han participado más de 2.000 físicos de 34 países, y cientos de universidades y laboratorios, con una inversión de casi cuatro millones de euros.”

“Una parte clave del proceso fue la puesta a punto de los colimadores. Estos dispositivos absorben partículas desviadas fueron ajustaron a las condiciones de colisión de haces. Esta configuración le dará a los científicos del acelerador los datos que necesitan para asegurarse de que los imanes y los detectores del LHC están totalmente protegidos.”

 ”Esta es una parte importante del proceso que permitirá a los equipos experimentales que supervisan los detectores de ALICE, ATLAS, CMS y LHCb cambiar sus experimentos totalmente. La toma de datos y la segunda puesta en funcionamiento de LHC está prevista para principios de junio.”

El LHC ya estaba presente en el horizonte científico del CERN cuando se aprobó, a mediados de la década de los 70, la construcción de LEP. Ya entonces se decidió dimensionar la obra civil de forma que pudiera albergar en el futuro un colisionador hadrónico. En 1984 las principales características de la máquina quedaban definidas: el LHC sería un colisionador protón-protón, con una energía en el centro de masas entre 10 y 20 TeV y una altísima luminosidad (mayor 10³³ cm ²sˉ¹ y que posteriormente se aumentaría hasta 10³⁴ cm ˉ²sˉ¹).

LHCb es el más bello de los experimentos del LHC. La “b” es de “beauty” o “belleza”.

La “belleza” es uno de los “sabores” de los quarks.

 

El acelerador:

Un túnel de 27 km de circunferencia, a una profundidad media de 100 m, en la frontera franco-suiza alberga el LHC. Dado que la longitud total del acelerador queda fijada por la longitud del túnel, la energía máxima de colisión alcanzable depende críticamente del campo magnético que pueda mantenerse de forma estable con los imanes bipolares de curvatura que lo configuran.

Dipolo magnético

En su diseño final los principales componentes del acelerador son 1232 dipolos superconductores, cada uno de 14,3 m, que operados a una temperatura de 1,9 K generan un campo magnético de 8,33 T. La red magnética se completa con más de 6000 imanes de órdenes superiores (hasta dodecapolos) para focalizar el haz y mantenerlo estable. Bajo estas condiciones, la energía de los haces será de 7 TeV, por lo que la energía en el sistema de centro de masas de las colisiones alcanzará los 14 TeV.

Los dos haces que colisionan son protones circulando en sentidos opuestos y no pueden acelerarse en un único campo magnético. Por ello se optó por una configuración “2 en 1“, en la que ambos haces comparten la estructura mecánica y criogénica, pero circulan por tubos de vacío y están sometidos a campos magnéticos independientes.

Un total de 2808 paquetes de partículas, con una intensidad nominal 1,15 x 10¹¹ protones/ paquete y una separación entre paquetes de 25ns circularán por el anillo, permitiendo alcanzar una luminosidad de 10³ 4 cmˉ²sˉ¹. La energía almacenada en el haz alcanzará los 350 MJ, lo que impone severas condiciones para garantizar su funcionamiento de forma segura. Por otra parte, la energía total acumulada en los imanes del acelerador será de 10 GJ.

 ”Imanes con orificio avellanados de disco de neodimio de 1200 piezas, imanes de tierras raras permanentes fuertes de 0,98 pulgadas x 0,2 …“

En su  momento se han produjeron más de 1200 imanes (de ellos, más de 1000 dipolos) todos instalados. Los servicios criogénicos, que distribuyen y suministran helio líquido a los imanes se disponen en una línea paralela a la línea del haz, en los que constituirá la mayor instalación criogénica del mundo con  27 km de circunferencia (en una de las pruebas, se produjo una fuga de helio que dio lugar al retraso del Proyecto).

El LHC tendrá cuatro puntos de interacción en los que se ubicarán los detectores ATLAS (A Large Toroidal LHC Apparatus), ALICE (A Large Ion Collider Experimental CERN LHC), CMS (The Compact Muón Solenoid) y  (LHCb  Large Hadron Collider beauty experiment).

Los detectores:

El diseño concreto de los detectores viene dictado por el programa científico que se pretende llevar a cabo, teniendo en cuenta cuáles son las exigencias experimentales que imponen las características del acelerador.

Para una energía en el centro de masas de 14 TeV, la sección eficaz inelástica protón-protón es aproximadamente de 70mb y esto supone que con la luminosidad nominal del acelerador, cada uno de los experimentos verá una tasa de colisiones inelásticas de aproximadamente 10 exp9/s. Sin embargo los procesos físicos que el LHC tiene como objetivo, como son la producción del bosón de Higgs o de partículas supersimétricas, se generan con secciones eficaces de varios órdenes de magnitud más pequeñas, del orden de decenas de picobarns. Es pues imprescindible un potente sistema de filtrado (“trigger“) que seleccione aquellos sucesos que sean potencialmente interesantes. El espaciado entre cruce de haces (25ns) es tan breve que el sistema de trigger no puede tomar una decisión en tan poco tiempo, y por tanto su arquitectura y la del sistema de adquisición de datos debe permitir el almacenamiento temporal de la información correspondiente a varios sucesos y su tratamiento en paralelo. De esta manera se reduce el volumen de información que habrá que procesar posteriormente desde aproximadamente 10 exp9 interacciones/s hasta poco más de 10² sucesos/s para su almacenamiento y posterior análisis.

Otro factor a considerar es que a la luminosidad nominal se van a producir (en media) unas 20 interacciones cada 25ns. Los productos de la interacción “interesante“ emergerán mezclados con los resultantes de las otras interacciones procedentes del mismo cruce de haces, dando lugar a una multiplicidad media de ~ 3000 partículas cada 25ns. Este efecto de acumulación de interacciones, conocido como “pileup“, se puede paliar parcialmente con detectores muy finamente segmentados para mantener su ocupación a niveles razonables y poder así separar las partículas, pero a costa de aumentar considerablemente el número de canales de lectura del detector ( hasta 10 exp8.-10 exp9.), con el consiguiente problema de sincronización entre los mismos.

Este gran flujo de partículas procedentes de la región de interacción provoca que los niveles de radiación a los que se verán sometidas diversas regiones del detector sean significativos (superiores a 10 kG y/año a la luminosidad nominal, en las zonas más expuestas). Esto exige que muchos de los materiales que se usen en los detectores y la electrónica asociada deben ser resistentes a la radiación. Asimismo, para cumplimentar todos los requisitos en materia de seguridad que esto impone, la fiabilidad de los detectores tiene que ser máxima para así minimizar las operaciones de mantenimiento de los mismos, que en muchos casos tendrán que realizarse con dispositivos robotizados.

Otro elemento reseñable de la experimentación en el LHC es el desafío que plantea en términos de almacenamiento y procesado de datos. Cada experimento del LHC generará varios Petabytes de información cada año de funcionamiento. Un modelo de computación centralizada no puede responder satisfactoriamente a estas exigencias y se ha optado, siguiendo el paradigma de los sistemas GRID, por un modelo de computación distribuida, establecida en una jerarquía de varios niveles (Tier 0, Tier 1, Tier 2) interconectados entre sí y distribuidos geográficamente por todo el planeta.

ATLAS y CMS son detectores de los denominados de propósito general, con un programa experimental de amplio espectro. Han sido diseñados como detectores de gran aceptancia geométrica y hermeticidad; con una excelente resolución en la medida de la energía de fotones y electrones y en la determinación del momento de las partículas cargadas en general, y de los muones en particular. También se requiere una medida razonable de la energía de los sistemas hadrónicos (jets). Asimismo es necesaria una excelente capacidad de reconstrucción de trayectorias en la región cercana al punto de interacción para detectar la desintegración de las partículas de larga vida media (quarks b y c y leptón) cuya presencia pudiera ser signo inequívoco de un proceso de interés.

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Ambos programas comparten muchas cosas y actualmente en tecnología de silicio en una disposición multicapa, calorímetros electromagnético y hadrónico y detectores de muones. Se complementan con un campo magnético que permite la determinación del momento de las partículas cargadas. La diferencia entre ambos experimentos se deriva de la opción tomada para el campo magnético.

ATLAS ha optado por un gran campo magnético toroidal en aire, en la parte exterior, donde se encuentran las cámaras que componen el detector de muones y un campo magnético solenoidal complementario, en la región más interna, para la determinación del momento del resto de las partículas. Como consecuencia, ATLAS es un detector de gran tamaño ( 25 m de diámetro, 46 m de longitud y 7000 toneladas de peso ). El calorímetro electromagnético es un calorímetro de muestreo de Argón líquido y plomo con estructura de acordeón. El calorímetro hadrónico es también de muestreo, con planchas de acero y centelleador.

CMS ( Figura 5 ) tiene un diseño mucho más compacto ( 15 m de diámetro, 21,6 m de longitud y 12500 toneladas de peso ) ya que ha optado por un imán solenoidal superconductor de 4 T de 13 m de longitud y 6 m de diámetro interno, que será el mayor imán del mundo de sus características. El campo de retorno se guía a través de una estructura de anillos y discos de hierro donde se albergan una serie de estaciones de cámaras de muones. En el interior del imán se alojan en calorímetro electromagnético, compuesto por 76848 cristales de tungstanato de plomo y el detector de trazas de silicio, con más de 10 millones de canales de lectura, que será el mayor jamás construido y supone un área total de 250 m² de detectores, dispuestos en 13 capas concéntricas.

Por aquellos años se leía en la prensa:

“Ambas colaboraciones están actualmente inmersas en un periodo de gran actividad: finalización de la construcción mecánica de los subdetectores e instalación de la electrónica asociada, validación en bancos de prueba, instalación en su emplazamiento definitivo y pruebas adicionales “ in situ “.

Todo ello para garantizar su perfecta operatividad desde el primer día en el que LHC registre colisiones.

“Después de haber producido 400 billones de colisiones entre protones, el LHC se prepara para comenzar esta semana las colisiones entre núcleos de plomo, que permiten el estudio del llamado plasma de quarks y gluones. La colaboración LHCb participará, por primera vez, en una toma de datos de dichas colisiones en el LHC. El detector del experimento fue construido específicamente para medir vértices desplazados que se producen copiosamente a bajo ángulo en desintegraciones de partículas que contienen los quarks b (bottom) y c (charm).”

LHCb está dedicado específicamente a estudios de física en el sector del quark b : análisis de la violación de la simetría CP, determinación de los elementos de la matriz CKM, etc. dado que la sección eficaz de producción  del quark b se extiende en la dirección hacia delante, de bajo ángulo polar, el detector LHCb difiere del concepto simétrico anterior y está diseñado como un espectrómetro de un solo brazo. LHCb tomará datos en régimen de baja luminosidad ( 2 x 10³² cm-²s-¹ ), lo que le permitirá almacenar del orden de 10 exp9. -10 exp10. hadrones B por año.

Por último, ALICE es un detector diseñado para explotar al máximo la fase de operación en colisiones de iones pesados ( iones de plomo con una energía de 2,76 TeV/ nucleón y una luminosidad inicial de 2×10²7 cmˉ²sˉ¹ ) en las que se producirá una transición de fase del estado de la materia, creando el Quark- Gluón Plasma ( QGP ), una sopa de quarks y gluones que se supone existió en el origen del universo, durante unos 10ˉ5 s tras el Big-Bang.

El programa científico:

El LHC permitirá explorar todo el intervalo de energías hasta aproximadamente 5  – 6 TeV, y en él se esperaba encontrar la respuesta a muchas de las preguntas que la física de partículas actual tiene planteadas, desde completar el Modelo Estándar ( ME ) de Partículas e Interacciones, con el descubrimiento y posterior estudio del bosón de Higgs, hasta dilucidar la existencia de simetrías superiores o teorías mas fundamentales de la Naturaleza.

El Modelo Estándar es una teoría gauge renormalizable que describe las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas najo e grupo de simetría SU (3) x SU (2) x U (1). Describe con gran precisión una multitud de fenómenos en el rango de energía desde ~ 10 eV ( escala atómica ) hasta ~ 100 GeV ( escala electrodébil ). En el contexto del ME, las correcciones cuánticas (electrodébile y fuertes) pueden ser evaluadas sistemáticamente, permitiendo una precisa comparación de resultados experimentales con las predicciones teóricas. La pléyade de medidas realizadas en los últimos quince años en física de partículas con aceleradores ( colisiones e+e- en el Stanford Linear Accelerator de SLAC y LEP en el CERN, colisiones protón-antiprotón en el colisionador Tevatrón de Fermilab ) y en otros experimentos han confirmado la validez del ME (suponiendo la existencia del bosón de Higgs) al nivel del 0, 1 % o mejor. El LHC proporcionará también la posibilidad de continuar esta serie de medidas de precisión de multitud de procesos físicos conocidos. En este caso, las muestras estadísticas que se recogerán superarán con creces las producidas en los aceleradores anteriores. Sólo a modo de ejemplo, la producción del quark top, último quark descubierto en 1995, será tan copiosa (hasta ~10⁷. – 10⁸ sucesos / año, entre 4 y 5 órdenes de magnitud superior a la producción actual de este quark en el acelerador Tevatrón) que permitirá validar y completar la caracterización del mismo en un régimen superior de energía y de muy alta estadística.

Pese al éxito del Modelo Estándar hay argumentos que sugieren la existencia de una teoría más fundamental (o simetría superior ) que englobe a la teoría actual de las interacciones fundamentales y de la que el ME es quizás una representación efectiva en la escala de energías accesibles actualmente. Entre los aspectos más insatisfactorios del ME podemos citar la existencia de hasta 26 parámetros libres en la teoría ( como son las masas de las partículas ); la no explicación, en su formulación original, de la masa de los neutrinos ni de la razón de la existencia de 3 generaciones de partículas, o lo que se conoce como el “ problema de la jerarquía “ que traduce el hecho de la gran diferencia que existe entre la escala electrodébil ( ~ 100 GeV, dada por las masas de los bosones gauge W+, W- y Z ) y la escala de gran unificación o escala de Planck ( ~ 10¹⁹. GeV, energía a la cual la intensidad de los efectos gravitatorios es comparable a la de las interacciones electrodébiles). Además, el ME no describe la interacción gravitatoria, la asimetría materia-antimateria observada en el universo; no sugiere ningún candidato natural para constituir la materia oscura ni ofrece ninguna indicación sobre la existencia y magnitud de la constante cosmológica o energía oscura.

Según nos dice la ciencia de la Mula Francis:

“Más allá del M odelo Estándar de la Física de Partículas elementales sin la supersimetría”

Hay multitud de modelos teóricos, que van mas allá del ME, propuestos para solventar algunos de los importantes problemas que éste presenta. Ahora, con la puesta en marcha (esperemos que definitiva) del LHC, éste nos transportará hacia el futuro de la Física y nos descubrirá el velo que esconde algunos de los enigmas más profundos de la naturaleza del Universo que nos acoge.

emilio silvera

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La radiactividad de algunos materiales

Hacia principios de siglo se hizo una serie de observaciones desconcertantes, que condujeron al esclarecimiento.  El inglés William Crookes (el del “tubo Crookes”) logró disociar del uranio una sustancia cuya ínfima cantidad resultó ser mucho más radiactiva que el propio uranio.  Apoyándose en su experimento, afirmó que el uranio no tenía radiactividad, y que esta procedía exclusivamente de dicha impureza, que él denomino “uranio X”.  Por otra parte, Henri Becquerel descubrió que el uranio purificado y ligeramente radiactivo adquiría mayor radiactividad con el tiempo, por causas desconocidas.  Si se dejan reposar durante algún tiempo, se podía extraer de él repetidas veces uranio activo X. Para decirlo de otra manera: por su propia radiactividad, el uranio se convertía en el uranio X, más activo aún.

E.  Rutherford odentificó los tres tipos principales de radiactividad: rayos Alfa, rayos Beta y Rayos Gamma

Por entonces, Rutherford, a su vez, separó del torio un “torio X” muy radiactivo, y comprobó también que el torio seguía produciendo más torio X. Hacia aquellas fechas se sabía ya que el más famoso de los elementos radiactivos, el radio, emitía un gas radiactivo, denominado radón.  Por tanto, Rutherford y su ayudante, el químico Frederick Soddy, dedujeron que, durante la emisión de sus partículas, los átomos radiactivos de transformaban en otras variedades de átomos radiactivos.

Varios químicos, que investigaron tales transformaciones, lograron obtener un surtido muy variado de nuevas sustancias, a los que dieron nombres tales como radio A, radio B, mesotorio I, mesotorio II y Actinio C.  Luego los agruparon todos en tres series, de acuerdo con sus historiales atómicos. Una serie de originó del uranio disociado; otra, del torio, y la tercera, del actinio (si bien más tarde se encontró un predecesor del actinio, llamado “protactinio”).

En total se identificaron unos cuarenta miembros de esas series, y cada uno se distinguió por su peculiar esquema de radiación.  Pero los productos finales de las tres series fueron idénticos: en último término, todas las cadenas de sustancias conducían al mismo elemento, estable: PLOMO.

Ahora bien, esas cuarenta sustancias no podían ser, sin excepción, elementos disociados, entre el uranio (92) y el plomo (82) había sólo diez lugares en la tabla periódica, y todos ellos, salvo dos, pertenecían a elementos conocidos.

En realidad, los químicos descubrieron que aunque las sustancias diferían entre sí por su radiactividad, algunas tenían propiedades químicas idénticas.  Por ejemplo, ya en 1907, los químicos americanos Herbert Newby Mc Coy y W.H. Ross descubrieron que el “radiotorio” (uno entre los varios productos de la desintegración del torio) mostraba el mismo comportamiento químico que el torio, y el “radio D”, el mismo que el del plomo; tanto, que era llamado a veces “radio plomo”.  De todo lo cual se infirió que tales sustancias eran en realidad variedades del mismo elemento: el radiotorio, una forma de torio; el radioplomo, un miembro de una familia de plomos, y así sucesivamente.

En 1.913, Soddy esclareció esa idea y le dio más amplitud.  Demostró que cuándo un átomo emitía una partícula alfa, se transformaba en un elemento que ocupaba dos lugares más abajo en la lista de elementos, y que cuando emitía una partícula beta, ocupaba, después de su transformación, el lugar inmediatamente superior.  Con arreglo a tal norma, el “radiotorio” descendería en la tabla hasta el lugar del torio, y lo mismo ocurría con las sustancias denominadas “uranio X” y “uranio Y”, es decir, que los tres serían variedades del elemento 90.  Así mismo, el “radio D”, el “radio B” el “torio B” y el “actinio B” compartirían el lugar del plomo como variedades del elemento 82.

Soddy dio el nombre de “isótopos” (del griego iso y topos, “el mismo lugar”) a todos los miembros de una familia de sustancias que ocupaban el mismo lugar en la tabla periódica.  En 1921 se le concedió el premio Nóbel de Química.

El modelo protón-electrón del núcleo concordó perfectamente con la teoría de Soddy sobre los isótopos. Al retirar una partícula de dicho núcleo, exactamente lo que necesitaba para bajar dos lugares en la tabla periódica.  Por otra parte, cuando el núcleo expulsaba un electrón (partícula beta), quedaba sin neutralizar un protón adicional, y ello incrementaba en una unidad la carga positiva del núcleo, lo cual era como agregar una unidad al número atómico, y, por tanto, el elemento pasaba a ocupar la posición inmediatamente superior en la tabla periódica de elementos.

¡Maravilloso!

Lo de maravilloso de antes, es que me entusiasmo con los movimientos que lleva a cabo la naturaleza para conseguir sus fines.

¿Cómo se explica que cuando el torio se descompone en “radiotorio” después de sufrir no una, sino tres desintegraciones, el producto siga siendo torio?  Pues bien, en este proceso el átomo de torio pierde una partícula alfa, luego una partícula beta y, más tarde, una segunda partícula beta.  Si aceptamos la teoría sobre el bloque constitutivo de los protones, ello significa que el átomo ha perdido cuatro electrones (dos de ellos, contenidos presuntamente en la partícula alfa) y cuatro protones.  (La situación actual difiere bastante de este cuadro, aunque, en cierto modo, esto no afecta al resultado.)

El núcleo de torio constaba inicialmente (según se suponía) de 232 protones y 142 electrones.  Al haber perdido cuatro protones y otros cuatro electrones, quedaba reducido a 228 protones y 138 electrones.  No obstante, conservaba todavía y el número atómico 90, es decir, el mismo antes.

Así, pues, el “radiotorio”, a semejanza del torio, posee 90 electrones planetarios, que giran alrededor del núcleo.  Puesto que las propiedades químicas de átomo están sujetas al número de sus electrones planetarios, el torio y el “radiotorio” tienen el mismo comportamiento químico, sea cual fuere su diferencia en peso atómico (232 y 228, respectivamente).

Los isótopos de un elemento se identifican por su peso atómico, o “número másico”.  Así, el torio corriente se denomina torio 232, y el “radiotorio”, torio 228.  Los isótopos radiactivos del plomo se distinguen también por estas denominaciones:

La variante radiactiva de este material tan atractivo se convierte en polonio-214 a los 20 minutos. El polonio-214 tan tarda sólo 160 milisegundos en convertirse en otro isótopo del plomo, el plomo-210, que tarda 22 años en descomponerse en bismuto-210, que a su vez tarda 5 días en convertirse en polonio-210 y, finalmente, después de 140 días, se transforma en plomo-206, el isótopo estable y no radiactivo que utilizábamos en el día a día hasta que nos dimos cuenta de lo tóxico que era.

 

 

La uranita (óxido de uranio) mineral del que se extrae el uranio y probablemente la única fuente natural de astato.

 

Plomo 210 – Plomo 214-Plomo 212 y Plomo 211

“radio D” – “radio B” – “Torio B” y “Actinio B”

“La Media Luna Fértil o Creciente Fértil es una región histórica que se corresponde con parte de los territorios del Levante mediterráneo, Mesopotamia y Persia. Se considera que fue el lugar donde se originó la revolución neolítica en Occidente.”

“El plomo se usó en la corte real de la Antigua China como estimulante,¹⁰​ como moneda,¹²​ y como anticonceptivo;¹³​ la civilización del valle del Indo y los mesoamericanos¹⁰​ lo usaron para hacer amuletos; y los pueblos de África oriental y meridional utilizaron plomo en el trefilado.”

Se descubrió que la noción de isótopos podía aplicarse indistintamente tanto a los elementos estables como a los radiactivos.  Por ejemplo, se comprobó que las tres series radiactivas anteriormente mencionadas terminaban en tres formas distintas de plomo.  La serie del uranio acababa en plomo 206; la del torio, en el plomo 208, y la del actinio, en el plomo 207.  Cada uno de estos era un isótopo estable y “corriente” del plomo, pero los tres plomos diferían por su peso atómico.

Mediante un dispositivo inventado por cierto ayudante de J.J.Thomson, llamado Francis William Aston, se demostró la existencia de los isótopos estables. En 1.919, Thomson, empleando la versión primitiva de aquel artilugio, demostró que el neón estaba constituído por dos variedades de átomos: una cuyo número de masa era 20, y otra, 22.  El neón 20 era el isótopo común; el neón 22 lo acompañaba en la proporción de un átomo por cada diez.  (Mas tarde se descubrió un tercer isótopo, el neón 21, cuyo porcentaje en el neón atmosférico era de un átomo por cada 400.)

Entonces fue posible, al fin, razonar el peso atómico fraccionario de los elementos.  El peso atómico del neón (20, 183) representaba el peso conjunto de los tres isótopos, de pesos diferentes, que integraban, el elemento en su estado natural.  Cada átomo individual tenía un número másico entero, pero el promedio de sus masas –el peso atómico- era un número fraccionario.

Aston procedió a mostrar que varios elementos estables comunes eran, en realidad, mezclas de isótopos.  Descubrió que el cloro, con un peso atómico fraccionario de 35’453, estaba constituido por el cloro 35 y el cloro 37, en la “proporción” de cuatro a uno.  En 1.922 se le otorgó el premio Nóbel de Química.

En el discurso pronunciado al recibir el premio, Aston predijo la posibilidad de aprovechar la energía almacenada en el núcleo atómico, vislumbrando ya las futuras y nefastas bombas y centrales nucleares.  Allá por 1935, el físico canadiense Arthur Jeffrey Dempster empleó el instrumento de Aston para avanzar sensiblemente en esa dirección.  Demostró que, si bien 993 de cada 1.000 átomos de uranio grande uranio 238 (no válido para combustible nuclear), los siete restantes eran uranio 235 (buen combustible nuclear).  Y, muy pronto se haría evidente el profundo significado de tal descubrimiento.

Así, después de esta siguiendo huellas falsas durante un siglo, se reivindicó definitivamente la teoría de Prout.  Los elementes estaban constituidos por bloques estructurales uniformes; si no átomos de hidrógeno, sí, por lo menos, unidades con masa de hidrógeno.

En la Tierra, del Uranio existente, sólo el 7 por 1.000 es Uranio acto como combustible nuclear de fisión, es decir, es el Uranio 235.  ya que, la mayor parte del Uranio que existe, es el Uranio 238

que es como la madera mojada que no arde, tampoco es válido como combustible nuclear. El Hombre ideó que en un Reactor Generador, se podía bombardear el Uranio 238 con neutrones lentos de uranio 235. El resultado;

El Plutonio 239 si es utilizable como combustible nuclear de fisión

¿Qué no será capaz de inventar el hombre para descubrir los misterios de la naturaleza?

emilio silvera

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La Teoría definitiva que buscó Einstein durante los últimos 30 años de su vida. La Ecuación soñada que pueda dar respuesta a todas las preguntas fundamentales del Universo. Las ecuaciones de Einstein eran exhubidas en un escaparate de la 5ª Avenida de Nueva York, la gente se amontonaba para verlas sin entender  absolutamente nada.

¡La Física! Lo que busca la física fundamental es reducir las leyes de la naturaleza a una teoría final sencilla que lo explique todo. El físico y premio Nobel Steven Weinberg señala que las reglas fundamentales son lo más satisfactorio (al menos para él). Las leyes básicas de Isaac Newton, que predicen el comportamiento de los planetas, son más satisfactorias, por ejemplo, que un almanaque en el que se indique la posición de todos los planetas en cada momento. Weinberg nos dice que la Física no puede explicarlo todo, matizando que sólo puede explicar los sucesos relacionándolos con otros sucesos y con las reglas existentes.

Por ejemplo, las órbitas de los planetas son el resultado de unas reglas, pero las distancias de los planetas al Sol son accidentales, y no son consecuencia de ley fundamental alguna. Claro que, también las leyes podrían ser fruto de casualidades. Lo que sí es cierto es que los físicos están más interesados por descubrir las reglas que por los sucesos que dichas reglas determinan, y más por los hechos que son independientes del tiempo; por ejemplo, les interesa más la masa del electrón que un tornado que se pueda producir en un lugar determinado.

La ciencia, como nos dice Weinberg, no puede explicarlo todo y, sin embargo, algunos físicos tienen la sensación de que nos estamos acercando a “una explicación del mundo” y, algún día, aunando todos los esfuerzos de muchos, las ideas de las mejores mentes que han sido, y las nuevas que llegarán, podremos, al fín, construir esa Teoría final tan largamente soñada que, para que sea convincente, deberá también, incluirnos a nosotros. Pero, paradógicamente y a pesar de estos pensamientos, existen hechos que los contradicen, por ejemplo, conocemos toda la física fundamental de la molécula de agua desde hace 7 decenas de años, pero todavía no hay nadie que pueda explicar por qué el agua hierve a los 100 ºC. ¿Qué ocurre? ¿Somos acaso demasiado tontos? Bueno, me atrevería a pronosticar que seguiremos siendo “demasiado tontos” incluso cuando los físicos consigan (por fin) esa teoría final que nos pueda dar una “explicación del mundo”. Siempre seguiremos siendo aprendices de la naturaleza que, sabia ella, nos esconde sus secretos para que persista el misterio.

¿Qué sería de nosotros si lo supiéramos todo?

                         Greta decía que la vida sería maravillosa si supiéramos lo que hacer con ella

La explicación que dan los físicos actualmente  sobre la subestructura de la materia se llama “el modelo estándar”. En este modelo están incluídas las doce partículas elementales y las tres fuerzas que, cuando se mezclan y se encajan, sirven para construir todo lo que hay en el universo, desde un redondo pan de pueblo hecho en un horno de leña,  hasta las más complejas galaxias, y puede explicar todos los mecanismos de acción, es decir, la mecánica del mundo.

Entre las partículas figuran los seis Quarks famosos: arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima. Las otras seis partículas son Leptones: el electrón y sus dos parientes más pesados, el muón y el tau y los tres neutrinos a ellos asociados. Las tres fuerzas son la electromagnética, la fuerza nuclear fuerte (que mantiene unidos a los quarks) y la fuerza nuclear débil (responsable de la radioactividasd). Hay una cuarta fuerza: la Gravedad que, aunque tan importante como las demás, nadie ha sabido como encajarla en el modelo estándar. Todas las partículas y fuerzas de este modelo son cuánticas; es decir, siguen las reglas de la mecánica cuántica. Aún no existe una teoría de la gravedad cuántica.

En realidad, la región que denominamos Gravedad cuántica nos lleva y comprende preguntas sobre el origen del universo observable que nadie ha sabido contestar. Nos lleva a complejos procesos cuánticos situados en las épocas más cercanas imaginables en un espacio-tiempo clásico, es decir, en lo que se conoce como Tiempo de Planck a 10^-43 segundos del supuesto big bang, cuando reinaba una temperatura del orden de 10 x 10³¹ K. Pero, como hemos dicho, al no existir una teoría autoconsistente de la Gravedad cuántica, lo único que podemos hacer (como en tantas otras áreas de la Ciencia)  es especular.

El Modelo Estándar no es, ni mucho menos, satisfactorio. Los científicos piensan que no sólo es incompleto, sino que es demasiado complicado y, desde hace mucho tiempo, buscan, incansables, otro modelo más sencillo y completo que explique mejor las cosas y que, además, no tenga (como tiene el modelo actual) una veintena de parámetros aleatorios y necesarios para que cuadren las cuentas…, un ejemplo: el bosón de Higgs necesario para dar masa a las partículas.

¡La masa! ese gran problema. Todas las partículas tienen masa diferentes pero nadie sabe de donde salen sus valores. No existe fórmula alguna que diga, por ejemplo,  que el quark extraño debería pesar el doble (o lo que sea) del quark arriba, o que el electrón deba tener 1/200 (u otra proporción) de la masa del muón. Las masas son de todo tipo y es preciso “ponerlas a mano”, como se suele decir: cada una ha de ser medida experimental e individualmente. En realidad, ¿por qué han de tener masa las partículas? ¿de dónde viene la masa?

No puedo evitarlo ni tampoco me puedo quedar callado, cuando he asistido a alguna conferencia sobre la materia y, el ponente de turno se agarra a la “materia oscura” para justificar lo que no sabe, si al final hay debate, entro en escena para discutir sobre la existencia de esa “materia fantasma” que quiere tapar nuestra enorme ignorancia.

De tarde en tarde podemos desvelar algún secreto del Universo pero, la mayoría están en la oscuridad

Pero, sigamos con el problema de la masa. Para resolverlo, muchos expertos en física de partículas creen actualmente en algo que llaman “campo de Higgs”. Se trata de un campo misterioso, invisible y etéreo que está permeando todo el espacio (¿habrán vuelto al antiguo éter pero cambiándole el nombre?). Hace que la materia parezca pesada, como cuando tratamos de correr por el fondo de la piscina llena de agua pero que el agua no se pudiera ver. Si pudiéramos encontrar ese campo, o más bien la partícula la partícula que se cree es la manifestación de ese campo (llamada el bosón de Higgs), avanzaríamos un largo trecho hacia el conocimiento del universo.

Aquí, en este imponente artilugio inventiva de nuestras mentes, se quiere dar respuesta a una serie de interrogantes que se espera solucionar con este experimento:

• Qué es la masa.
• El origen de la masa de las partículas
• El origen de la masa para los bariones.
• El número exacto de partículas del átomo.

Claro que, si no fuera tan largo de contar, os diría que, en realidad, el Campo de Higgs se descubrió hace ya muchos siglos en la antigua India, con el nombre de “maya”, que sugiere la idea de un velo de ilusión para dar peso a los objetos del mundo material.

                         También fueron los primeros en utilizar el Cero y hablar del Vacío

Pocos conocen que, los hindúes fueron los que más se acercaron a las ideas modernas sobre el átomo, la física cuántica y otras teorías actuales. Ellos desarrollaron muy temprano sólidas teorías atomistas sobre la materia. Posiblemente, el pensamiento atomista griega recibió las influencias del pensamiento de los hindúes a través de las civilizaciones persas. El Rig-Veda, que data de alguna fecha situada entre el 2000 y el 1500 a. C., es el primer texto hindú en el que se exponen unas ideas que pueden considerarse leyes naturales universales. La ley cósmica está relacionada con la luz cósmica.

Anteriores a los primeros Upanishads tenemos en la India la creación de los Vedas, visiones poéticas y espirituales en las que la imaginación humana ve la Naturaleza y la expresa en creación poética, y después va avanzando hacia unidades más intensamente reales que espirituales hasta llegar al Brahmán único de los Upanishads.

Hacia la época de Buda (500 a, C.), los Upanishad, escritos durante un período de varios siglos, mencionaban el concepto  de svabhava, definido como “la naturaleza inherente de los distintos materiales”; es decir, su eficacia causal única, , tal como la combustión en el caso del fuego, o el hecho de fluir hacia abajo en el caso dela agua. El pensador Jainí Bunaratna nos dijo: “Todo lo que existe ha llegado a existir por acción de la svabhava. Así… la tierra se transforma en una vasija y no en paño… A partir de los hilos se produce el paño y no la vasija”.

También aquellos pensadores, manejaron el concepto de yadrccha, o azar desde tiempos muy remotos. Implicaba la falta de orden y la aleatoriedad de la causalidad. Ambos conceptos se sumaron a la afirmación del griego Demócrito medio siglo más tarde: “Todo lo que hay en el universo es fruto del azar y la necesidad”. El ejemplo que que dio Demócrito -similar al de los hilos del paño- fue que, toda la materia que existe, está formada por a-tomos o átomos.

Bueno, no lo puedo evitar, mi imaginación se desboca y corre rápida por los diversos pensamientos que por la mente pasan, de uno se traslada a otros y, al final, todo resulta un conglomerado de ideas que, en realidad, quieren explicar, dentro de esa diversidad, la misma cosa.

emilio silvera

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Algunas escenas de 2001 Una Odisea del Espacio, son inolvidables.

Quizás lo más recordado de esta película sea su banda sonora, donde aparece esa magnífica composición titulada Así habló Zaratustra de Richard Strauss. Los acordes rotundos se van escuchando mientras un supuesto precursor del homo sapiens aprende a manejar un hueso, golpeándolo violentamente contra otros huesos esparcidos por el suelo. Entre tanto, la escena está siendo contemplada por un misterioso monolito que ha venido de no se sabe dónde y que se convierte después en el núcleo de la película.

El monolito negro y enigmático aparece en ese momento en que comienza el despertar de la raza humana. Resulta ser una especie de guía, un instructor, un objeto cuya presencia es el punto de partida del desarrollo del hombre. No se sabe quién lo colocó allí, pero evidentemente se trata de una inteligencia superior que quiere que el ser humano evolucione, y que en esas épocas de fragilidad para la especie humana viene a ayudar en el desarrollo de destrezas inteligentes que permitirán a los homínidos tomar ventaja frente al ecosistema y las demás especies competidoras.

Desde entonces, desde que esta posible escena fue el presente de la Tierra, los movimientos de los cuerpos celestes se han registrado, anotado y comentados en una variedad infinita de maneras, pero la serie contínua de onservaciones astronómicas ha sido consecuente a través de las distintas culturas que, siempre buscaban el por qué de las cosas y, debido a ello, un día se preguntaron quiénes eran y qué hacían aquí.

Pero, por su curiosidad, volvamos al monolito que aquellos monos miraban asombrados sin llegar a comprender su significado:

Una curiosa, y quizás poco importante, característica del bloque, había provocado discusiones interminables. El monolito tenía 11 pies de alto, y 1¼ por 5 pies en su sección transversal. Cuando sus dimensiones se midieron con gran cuidado, se descubrió que estaban en la proporción exacta 1 – 4 – 9, los cuadrados de los tres primeros números enteros. Nadie podía sugerir ninguna explicación convincente para esto, pero difícilmente podía ser una coincidencia, porque las proporciones se mantenían hasta los límites de la precisión de las medidas. Era humillante pensar que toda la tecnología terrestre no era capaz de dar forma a un bloque, aunque fuera inerte, de ningún material, con tan fantástico grado de precisión. A su forma, esta pasiva pero casi arrogante muestra de perfección geométrica era tan impresionante como cualquiera de los demás atributos del monolito.

Así, pues, cada uno de los bloques es un ortoedro perfecto con unas dimensiones exactas. Si consideramos el ancho como 1 unidad, el largo serían 4 unidades y el alto 9 unidades, es decir, sus dimensiones son proporcionales a los números 1, 4 y 9.

Claro que no es el objeto de este trabajo hablar de la película de Kubrick. Los cosmólogos del big bang nos dicen que podemos superar los problemas que nos presentan las observaciones estudiando el universo primitivo en aceleradores de partículas. “Aceleradores atómicos”.

Estos ingenios creados por el hombre han hecho posible reproducir momentos del pasado que, de otra manera, hubiera sido imposible hacerlos presente para poder estudiar lo que entonces pasó. Por ejemplo, en el Fermilab se ha conseguido que haces de protones circulen por un tubo de 6.500 metros de largo y choquen con antiprotones que circulan a toda velocidad en la dirección contraria. Las colisiones resultantes pueden alcanzar temperaturas de 3.000.000.000.000.000 (3 x 10¹⁵) grados Celcius, que es la temperatura del universo aproximadamente 0,0000000000004 (4 x 10^-12) segundos (cuatro millonésima de millonésima de segundo) después del big bang.

De esa manera, podemos crear ahora (durante breves instantes), las condiciones que no han existido en el universo desde hace catorce mil millones de años.

Los cosmólogos, hoy día son muy dados a decir que que estas colisiones de altas energías vienen a corroborar sus teorías. Así también estamos tratando de Buscar el Higgs en marañas como esta de arriba, no resultará nada fácil. Y, también se tienen puestas algunas esperanzas en que, en alguna de estas colisones, aparezcan esas partículas supersimétricas de la hipotetica “matria oscura”. Claro que, ni el famoso bosón ni la tal materia “oscura” es seguro que estén por ahí. Bueno, más exacto sería decir que no es seguro ni que puedan existir, ambos, bosón de Higgs y materia oscura, son hipótesis que tienen que ser verificadas.

La cosmología sigue siendo una disciplina interesante, basada en la Astronomía y la Física, Tenemos la necesidad de imaginar nuestro mundo, incluso si esa visión es inexacta e incompleta. Los antiguos hindúes, babilonios y mayas combinaron la ciencia con la religión y las estructuras sociales para completar la imagen que, configurara un todo del mundo que ellos podían contemplar y adaptarlo a sus necesidades. Sobre todo, a la de los poderosos y sacerdotes de los templos con los que había que llevarse bien.

A diferencia de los Físicos o los Químicos que aceptan gustosos los desafíos a sus paradigmas, los cosmólogos modernos son legashianos, es decir, defineden el modelo que han elegido frente a cualquier prueba que vaya contra él. Como dijo el físico ruso Lev Landau: “Los cosmólogos caen a menudo en errores, pero nunca dudan”.

El mundo de la cosmología ortodoxa del big bang no soporta a los disidentes. Halton Arp, un protegido de Edwin Hubble educado en Harvard y Caltech, nunca renunció al rigor intelectual de su mentor y, en consecuencia, sostenía que los corrimientos al rojo no demostraban necesariamente la existencia de un universo en expansión. Arp, que era un hábil astrónomo, descubrióm en el cielo objetos que dieron lugar a titulares en toda la prensa nacional y pusieron en tela de juicio la ortodoxia del big bang.

Claro que, ahora que tenemos Modelos para todo, debemos decir que también, para la materia y las fuerzas con las que interaccionan, hay un Modelo que llamamos Estándar yn se ocupa de las partículas subatómicas y cómo se relacionan con el resto del mundo protegidasd por una serie de fuerzas fundamentales que son las que, de alguna manera, les indica el camino a seguir y sus comportamientos.

Tampoco ahí, podemos estar muy satisfechos. El Modelo Estándar no es del todo satisfactorio. Los científicos piensan que, además de ser incompleto, es demasiado complicado, para poder completarlo se le han metido una veintena de parámetros “casi a la fuerza” y, algunos, como el Bosón de Higgs que le suministra la masa a las demás partículas, aún no lo hemos podido encontrar en el LHC del que aquí dejamos una serie de imágenes y reseñas.

En cuatro puntos del anillo del colisionador, se producirán colisiones de haces de protones generando numerosas partículas y radiación que será registrada por unos detectores. Dos de ellos, ATLAS y CMS, detectores “de uso general”, y otros dos, ALICE y LHCb, especializados.

                                             El detector ATLAS es el más grande jamás construido de su tipo.

Es precisamente este detector el que, junto al CMS, servirá a los científicos para tratar de hallar restos del bosón de Higgs, partícula que según las teorías existentes explican la existencia de la masa de las partículas elementales.

            El detector ALICE está destinado a registrar los resultados de las colisiones de núcleos atómicos del plomo acelerados en el colisionador.

El LHCb será el encargado de estudiar la asimetría materia-antimateria mediante exploración de interacciones de partículas que contienen los llamados b quarks.

La construcción del LHC empezó en 2001 cuando dejó de funcionar otro acelerador de partículas, el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (en inglés, Large Electron–Positron Collider, LEPC).

            En otoño de 2008, el Gran Colisionador de Hadrones fue detenido a causa de una avería ocurrida pocos días después de su puesta en marcha.

Una fuga del hélio líquido provocó un vertido de varias toneladas en el túnel del colisionador deformando las tuberías del sistema de refrigeración y los propios conductos por los que circulaban las partículas.

A mediados de octubre, concluyeron las obras de refrigeración de todos los ocho sectores del colisionador hasta la temperatura de funcionamiento, es decir, un 1,9 kelvin (271 grados centígrados bajo cero).

Los especialistas del CERN prevén empezar realizando colisiones con la energía del grado anterior del colisionador, de 450 gigaelectron-voltios por haz, y sólo después aumentar la energía hasta 3,5 teraelectron-voltios.

El LHC funcionará en este modo hasta finales de 2010 y luego se detendrá para ser preparado para un aumento de energía hasta 7 teraelectron-voltios por haz. Que ya se ha producido y, ahora, se preparan nuevos experimentos con 8 TeV. (Fuente: Ria Novosti ).

Claro que, si hablamos de partículas en el Modelo Estándar, el problema es la masa. Todas las partículas tienen masa diferentes y nadie ha sabnido expllicar de dónde salen sus valores. No existe fórmula alguna que diga, por ejemplo, que el Quark exteaño deba pesar el doble (o lo que que sea) del Quark arriba, o que el electrón deba tener 1/200 (u otra proporción) de la masa del muón. Las masas son de todo tipo y es preciso “ponerlas a mano”, como suelen decir: cada una ha de ser medida experimental e individualmente. En realidad, ¿por qué han de tener masa las partículas? ¿de dónde viene la masa?

Siempre nos hemos preguntado de dónde vino la materia. Hemos llegado a comprender que toda la materia está hecha de pequeñas partículas infinitesimales y que es energía concentrada. Con el paso del tiempo pudimos desmenuzar sus componentes y llegamos a ser conscientes de que toda la masa del Universo está conformada a partir de minúsculos objetos que llamamos partículas. Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. Y, ahora, queremos desvelar el secrteto de la masa haciendo un viaje profundo hasta los Océanos de Higgs para buscar ese Bosón que, supuestamente, suministra la masa a las demás partícuals.

Claro que, los campos de Higgs, son misterios, invisibles y etéreos que según aseguran muchos, permea todo el espacio y está por todas partes. Es un ingrediente del Universo que tiene sun razón de ser para que todo sea como lo vemos y, con el LHC del CERN (también el Tevatrón del Fermilab), queremos y estamos tratando de que, de una vez por todas, queden contestadas esas preguntas que, hace largo tiempo ya que esperan una respuesta para saber, si el Modelo Estándar está en lo cierto o, por el contrario, debemos buscar en otra dirección.

Sí, desde que existe sobre la Tierra el SER Humano, siempre miró al cielo, se hizo preguntas sobre las cosas que no sabía comprender y causaban su asombro y sus miedos. Poco a poco, hemos podido ir desvelando algunos secretos de esa Naturaleza misteriosa y, a medida que nuestros conocimientos avanzan, disminuye nuestra capacidad para asombrarnos. Ya sabeis, amigos,. que sentimos miedo hacia lo desconocido y nos asombra todo aquello que no podemos comprender, una vez desvelado el misterio, la fascinación se desvanece y, nuestra innata curiosidad nos lleva a buscar nuevos misterios para poder asombrarnos primero y desvelarnos después.

                                   Mucho camino hemos recorrido desde Galileo

Hasta hace algunas decenas de años, se consideraba que el espacio entre las estrellas estaba completamente vacío. Las observaciones ópticas y radioastronómicas han demostrado, en cambio, que éste está lleno de materia interestelar formada predominantemente por hidrógeno mezclado con minúsculas partículas sólidas, llamadas genéricamente polvo interestelar.

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una vez potente y segura nos dice: “! Higgs ¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmariana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la materia?

Siempre nos hemos preguntado de dónde vino la materia. Hemos llegado a comprender que toda la materia está hecha y es energía concentrada. Con el paso del tiempo pudimos desmenuzar sus componentes y llegamos a ser conscientes de que toda la masa del Universo está conformada a partir de minúsculos objetos que llamamos partículas. Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno, y, según mi amigo Ramón Márquez, las partículas toman su masa debido al efecto frenado.

No tenemos límite y queremos abarcar, con nuestras manos los mundos y, con nuestras mentes las estrellas, las galaxias y, el Universo entero. Nuestro destino nos empuja y nada, nunca, nos podrá frenar. El “mundo macroscópico” y el “mundo cuántico” ya han sido atacados por nuestro intelecto y, no siendo suficiente, queremos hacer un viaje hasta las cuerdas vibrantes y a los fascinantes universos paralelos.

emilio silvera

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En su libro “Partículas Elementales”, Gerard ´t Hooft, en su capítulo titulado “La bonanza Yang-Mills”, finalizaba diciendo:

“Lo único que no resulta ser lo mismo cuando se mira a través del microscopio (o, en la jerga de la física teórica, cuando se realiza una transformación de escala) es la masa de la partícula. Esto se debe a que el alcance de la fuerza parece mayor a través del microscopio. Nótese que esta situación es la opuesta a la que se presenta en la vida corriente donde un grano de arena parece mayor  -¿más pesado, por tanto?- cuando se observa con un microscopio.”

En ésta última imagen:

“Esquema perturbativo de QFT para la interacción de un electrón (e) con un quark (q), la línea azul representa un campo electromagnético (campo de Yang-Mills con simetría U(1)) y la línea verde un campo de color (campo de Yang-Mills con simetría SU(3)).”

Una consecuencia de todo esto es que en una teoría de Yang-Mills el término de masa parece desaparecer cuando se realiza una transformación de escala, lo que implica que a través del microscopio se recupera la invariancia gauge. Esto es lo que causa la dificultad con la que se enfrentó Veltman. ¿Se puede observar directamente el potencial vector de Yang-Mills? Parece que puede observarse en el mundo de las cosas grandes pero no en el mundo de lo pequeño. Esto es una contradicción y es la razón por la que este esquema nunca ha podido funcionar adecuadamente.

¡Había una salida! Pero ésta procede de una rama muy diferente de la física teórica. La física de los metales a muy bajas temperaturas. A esas temperaturas, los “fenómenos cuánticos” dan lugar a efectos muy sorprendentes, que se describen con teorías cuánticas de campos, exactamente iguales que las que utilizan en la física de partículas elementales. La Física de Partículas Elementales no tiene nada que ver con la física de bajas temperaturas, pero las matemáticas son muy parecidas.

     Oscilaciones armónicas cuánticas                          La función de onda

En algunos materiales, el “campo” que se hace importante a temperaturas muy bajas podría ser el que describe cómo los átomos oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio, o el que describe a los electrones en este tipo de material. A temperaturas muy bajas nos encontramos con los “cuantos” de esos campos. Por ejemplo, el “fonón” es el cuanto del sonido. Su comportamiento recuerda al fotón, el cuanto de la luz, salvo que los números son muy diferentes: los fonones se propagan con la velocidad del sonido, a cientos, o quizá miles de metros por segundo, y los fotones lo hacen a la velocidad de la luz que es de 300.000 km/s, ¡aproximadamente un millón de veces más deprisa! Las partículas elementales en las que estamos interesados generalmente tienen velocidades cercanas a la de la luz.

Uno de los “fenómenos cuánticos” más espectaculares que tienen lugar en los materiales muy fríos es la llamada superconductividad, fenómeno consistente en el hecho de que la resistencia que presenta ese material al paso de la corriente eléctrica se hace cero. Una de las consecuencias de este estado es que el material no admite la más mínima diferencia de potencial eléctrico, porque ésta sería inmediatamente neutralizada por una corriente eléctrica “ideal”. El material tampoco admite la presencia de campos magnéticos porque, de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, la creación del campo magnético está asociada con una corriente eléctrica inducida, que al no encontrar resistencia neutralizaría completamente el campo magnético. Por lo tanto, en el interior de un superconductor no se puede crear ni un campo eléctrico ni magnético. Esta situación sólo cambia si las corrientes inducidas son muy elevadas, como ocurre cuando se somete el superconductor a los campos de imanes muy potentes que perturban el material. No siendo capaz de resistir una fuerza tan brutal, pierde la superconductividad y se rinde permitiendo la existencia de un campo magnético en su interior.

¿Pero, que tiene que ver un superconductor con las partículas elementales? Bien, un material superconductor se puede entender como un sistema en el cual el campo electromagnético es un campo de muy corto alcance. Está siendo apantallado y, sin embargo, es un campo de Maxwell, un campo gauge. ¡Esto es lo que hace interesante un superconductor para alguien que quiere describir la interacción débil entre partículas como una teoría gauge! ¡Qué característica tan bella de la física teórica! Se pueden comparar dos mundos completamente diferentes simplemente porque obedecen a las mismas ecuaciones matemáticas.

¿Cómo funciona un superconductor? La verdadera causa de este fenómeno peculiar lo descubrieron John Bardeen, Leon N Cooper y John R. Schrieffer (por lo que recieron el Premio Nobel de 1972). Los electrones de un trozo sólido de material tienen que reunir al mismo tiempo dos condiciones especiales para dar lugar a la superconductividad: la primera es apareamiento y la segunda condensación de Bose.

“Apareamiento” significa que los electrones forman pares y actúan en pares, y los que producen la fuerza que mantiene los pares unidos son los fotones. En cada par, los electrones rotan alrededor de su propio eje, pero en direcciones opuestas, de manera que el par (llamado “par de Cooper”), en su conjunto, se comporta como si no tuviera rotación (“momento angular”). Así un par de Cooper se comporta como una “partícula” con espín 0 y carga eléctrica -2.

La “condensación de Bose” es un fenómeno típicamente mecánico-cuántico. Sólo se aplica a partículas con espín entero (bosones). Al igual que los lemmings, los bosones se agrupan juntos en el estado de menor energía posible. Recuérdese que a los bosones les gusta hacer a todos la misma cosa. En este estado todavía se pueden mover, pero no pueden perder más energía y, en consecuencia, no sufren ninguna resistencia a su movimiento. Los pares de Cooper se mueven libremente, de manera que pueden crear corrientes eléctricas que no encuentran ninguna resistencia. Un fenómeno parecido tiene lugar en el helio líquido a muy bajas temperaturas. Aquí los átomos de helio forman una condensación de Bose y el líquido que forman puede fluir a través de los agujeros más pequeños sin la más mínima resistencia.

Como los electrones por separado tienen espín ½ no pueden sufrir un condensación de Bose. Las partículas que es igual a un entero más un medio (fermiones) tienen que estar en estados cuánticos diferentes debido al principio de exclusión de Pauli. Esta es la razón por la que su superconductividad sólo se puede producir cuando se forman pares. Sí, comprendo que estas afirmaciones le sugieran varias preguntas y me disculpo por adelantado, pero de nuevo he traducido fórmulas a palabras, lo que implica que el razonamiento pueda parecer poco satisfactorio. ¡Simplemente tome esto como una cierta “lógica cuántica” difícil de manejar!

Fueron el belga Franςois Englert, el americano Robert Brout y el inglés Peter Higgs, el americano Robert Brout y el inglés Peter Higgs los que descubrieron que la superconductividad podría ser importante para las partículas elementales. Propusieron un modelo de partículas elementales en el cual las partículas eléctricamente cargadas, sin espín, sufrían una condensación de Bose. Esta vez, sin embargo, la condensación no tenía lugar en el interior de la materia sino en el vacío. Las fuerzas entre las partículas tenían que ser elegidas de tal manera que se ahorrara más energía llenando el vacío de estas partículas que dejándolo vacío. Estas partículas no son directamente observables, pero podríamos sentir este estado, en cuyo espacio y tiempo están moviéndose las partículas de Higgs (como se las conoce ahora) con la mínima energía posible, como si el espacio tiempo estuviera completamente vacío.

Las partículas de Higgs son los cuantos del “campo de Higgs” Una característica de este campo es que su energía es mínima cuando el campo tiene una cierta intensidad, y no cuando es nulo. Lo que observamos como espacio vacío no es más que la configuración e campo con la menor energía posible. Si pasamos de la jerga de campos a la de partículas, esto significa que el espacio vacío está realmente lleno de partículas de Higgs que han sufrido una “condensación de Bose”.

Este espacio vacío tiene muchas propiedades en común con el interior de un superconductor. El campo electromagnético aquí también es de corto alcance. Esto está directamente relacionado con el hecho de que, en tal mundo, el fotón tiene una cierta masa en reposo.

Y aún tenemos una simetría gauge completa, es decir, la invariancia gauge no se viola en ningún sitio. Y, así sabemos cómo transformar un fotón en una partícula “con masa” sin violar la invariancia gauge. Todo lo que tenemos que hacer es añadir estas partículas de Higgs a nuestras ecuaciones. La razón por la que el efecto de la invariancia gauge en las propiedades del fotón es tan diferente ahora es que las ecuaciones están completamente alteradas por la presencia del campo de Higgs en nuestro estado vacío. A veces se dice que “el estado vacío rompe la simetría espontáneamente”. Esto no es realmente correcto, pero el fenómeno está muy relacionado con otras situaciones en las que se produce espontáneamente una rotura de simetría.

Higgs sólo consideró campos electromagnéticos “ordinarios”, pero, desde luego, sabemos que el fotón ordinario en un vacío auténtico no tiene masa en reposo. Fue Thomas Kibble el que propuso hacer una teoría de Yang-Mills superconductora de esta forma, simplemente añadiendo partículas sin espín, con carga de Yang-Mills en vez de carga ordinaria, y suponer que estas partículas podían experimentar una condensación de Bose. Entonces, el alcance de las interacciones de Yang-Mills se pueden convertir en partículas con espín igual a 1 y masa distinta de cero.

¡Los fotones de Yang-Mills adquieren su masa y el principio gauge se sigue cumpliendo! Creo que había dos razones por las que, al principio, esta visión no recibió la atención que merecía. Primero, porque la gente pensó que el esquema era feo. El principio gauge estaba ahí “a propósito” y la partícula de Higgs, en sí misma, no era una “partícula gauge”. Si se admitía esto, ¿por qué no introducir más partículas y campos arbitrarios? Estas ideas se consideraron como simples modelos con los que jugar, sin mucho significado fundamental.

En segundo lugar estaba lo que se llamó “teorema de Goldstone”. Ya se habían propuesto antes modelos de partículas con “rotira espontánea de simetría”, pero para la mayoría de estos modelos, Jeoffrey Goldstone había probado que siempre contenían partículas sin masa y sin espín. Muchos investigadores, por tanto, pensaron que la teoría de Higgs también debía contener esa partícula de Goldstone, sin masa, y que esto era un inconveniente porque entre las partículas conocidas no había ninguna partícula de Goldstone. Incluso el propio Goldstone había advertido que el modelo de Higgs no satisfacía las condiciones para su demostración, así que no tenía que ser válido para este caso, pero todo el mundo estaba tan impresionado con las matemáticas del teorema que el modelo de Higgs-Kibble no tuvo éxito durante algún tiempo.

Y así el teorema de Goldstone se utilizó como un “teorema de imposibilidad”: si el espacio vacío no es simétrico, entonces no se puede evitar la presencia de partículas sin masa y sin espín. Ahora sabemos que, en nuestro caso, la letra pequeña invalida el teorema; las partículas de Goldstone se hacen invisible debido a la invariancia gauge y no son más que las “partículas fantasmas” que encontró Feynman en sus cálculos. Además, recuerde que, como dije antes, el mecanismo Higgs no es una auténtica rotiura espontánea de simetría.

Dos prestigiosos investigadores habían sugerido de forma independiente que se podían construir modelos realistas de partículas en los cuales, el sistema de Yang-Mills fuera responsable de la interacción débil y el mecanismo de Higgs-Kibble la causa de su corto alcance. Uno de ellos era el paquistaní Abdus Salam. Salam estaba buscando modelos estéticos de partículas y pensó que la belleza de la idea de Yang-Mills era razón suficiente para intentar construir con ella un modelo de interacción débil. La partícula mediadora de la interacción débil tenía que ser un fotón de Yang-Mills y el mecanismo de Higgs-Kibble la única explicación aceptable para que esta partícula tuviera una cierta cantidad de masa en reposo.

Otro investigador que había llegado más o menos al mismo punto era el americano Steven Weinberg. Pero Weinberg dio un paso más al formular con mucho más detalle un modelo sencillo en el cual indicaba con precisión los campos que existían y cómo podían interactuar. Pero se limitó a los leptones. Weinberg comprendió que, junto al fotón ordinario, tenía que haber tres fotones de Yang-Mills pesados: uno cargado positivamente, uno cargado negativamente y otro neutro. En lo que se refiere a los fotones cargados, todo el mundo estaba de acuerdo en que éstos se necesitarían para describir la interacción débil; serían los famosos bosones vectoriales intermediarios, W⁺ y W⁻. De acuerdo con Weinberg, sus masas tenían que ser mayores que 60.000 MeV. Pero solos, estos bosones vectoriales cargados eran suficientes para explicar todos los procesos de interacción débil que se conocían en esa época. Que aparte de eloos y del fotón ordinario, γ, también se necesitase otro componente neutro (Weinberg lo llamó Zº) no era evidente en absoluto. Se encontró con que la masa del Zº tenía que ser un pco mayor que la de los bosones cargados.

Y, finaliza el capítulo Gerard ´t Hooft diciendo:

“Así es como me encontré con el Mecanismo de Higgs-Kible (no creo que supiese en ese momento que se llamaba así). Veltman era muy escéptico con estas ideas, y no fue fácil converlo de que pudiésemos llamar vacío a algo lleno de partículas invisibles. ¿No delatarían, dijo, su presencia por sus campos gravitatorios? La teoría puede ser formulada de tal manera que esos campos gravitatorios se compensen exactamente con otras partículas invisibles o por una contribución misteriosa del propio espacio vacío. Cómo consigue la Naturaleza enmascarar tan exacta y eficientemente estos efectos de la gravedad que no podemos notar nada, es un misterio que continúa siendo muy debatido hoy día. En mi opinión, la resolución de este rompecabezas tendrá que ser pospuesta hasta que entendamos mucho mejor la teoría de la Gravedad Cuántica. Y eso no ha sucedido todavía.”

Herard ´t Hooft es el autor de este interesante trabajo.

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En 1.949, el físico francés Louis de Broglie, que ganó el premio Nobel, propuso construir un laboratorio europeo de física de partículas. Su idea caló hondo en la comunidad internacional, y tres años tarde, 11 países europeos dieron el visto bueno y el dinero para construir el CERN, inaugurado en Ginebra en 1.954, y al que tanto le debe la física y las Sociedades modernas del mundo.

Los aceleradores de partículas son un gran invento que ha permitido comprobar (hasta se ha podido, al menos) la estructura del átomo. En el acelerador del Fermilab, por ejemplo, un detector de tres pisos de altura que en su momento costó unos ochenta millones de dólares para poder captar electrónicamente los “restos” de la colisión entre un protón y un antiprotón. Aquí la prueba consiste en que decenas de miles de sensores generen un impulso eléctrico cuando pasa una partícula. Todos esos impulsos son llevados a procesadores electrónicos de a través de cientos de miles de cables. Por último, se hace una grabación en carrete de cinta magnética codificada con ceros y unos. La cinta graba las violentas colisiones de los protones y antiprotones, en las que generan unas setenta partículas que salen disparadas en diferentes direcciones dentro de las varias secciones del detector.

El 13 de octubre de 1985 se produjo la primera colisión protón-antiprotón en el Tevatrón del Fermilab

La ciencia, en la física de partículas, gana confianza en sus conclusiones por duplicación, es decir, un experimento en California se confirma mediante un acelerador de un estilo diferente que funciona en Ginebra con otro equipo distinto, que incluye en cada experimento los controles necesarios y todas las comprobaciones para que puedan confirmar con muchas garantías el resultado finalmente obtenido. Es un proceso largo y muy complejo; la consecuencia de muchos años de investigación de muchos equipos diferentes.

No es suficiente con un único resultado. Si muchos, en distintos lugares dan lo mismo…se pueden considerar ciertos

Yo puedo visualizar la estructura interna de un átomo. Puedo hacer que me vengan mentales de nebulosas de “presencia” de electrón alrededor de la minúscula mota del núcleo que atrae esa bruma de la nube electrónica hacia sí. Puedo ver los átomos, los protones y los neutrones, y en su interior, los diminutos quarks enfangados en un mar de neutrones. Claro que todo eso es posible por el hecho de que dicha imagen me es muy familiar. Creo que cada uno construirá sus propias conforme él las vea a partir de las ecuaciones o bien de cómo las formó en su mente a partir de sus lecturas o explicaciones oídas en charlas científicas.

¿Tendrán ellos (los átomos) el secreto de la materia?

Cuando entraron en escena David Politrer, de Harvard, y David Gross y Frank Wilczek, de Pinceton, el panorama de lo que ocurría en el interior del núcleo se aclaró bastante. Ellos, descubrieron algo que llamaron libertad asintótica. Asintótico significa, burdamente, “que se acerca cada vez más, pero no toca nunca”. La interacción fuerte se debilita más y más a medida que un quark se aproxima a otro. Esto significa, paradójicamente, que cuando los quarks están muy juntos se portan casi como si fuesen libres; pero cuando se apartan, las fuerzas se hacen efectivamente mayores. Las distancias cortas suponen energías altas, así que la interacción fuerte se debilita a altas energías. Esto es justo lo contrario de lo que pasa con la fuerza eléctrica. Aún más era que la interacción fuerte necesitase una partícula mensajera, como las otras fuerzas, y en alguna parte le dieron al mensajero el nombre de gluón (del inglés glue, pegamento).

A todo esto, llegó Murray Gell-Mann con sus quarks para completar el panorama. Adjudicó a estas diminutas partículas color y sabor (nada que ver con el gusto y los colores reales) y llegó la teoría denominada cromodinámica cuántica. Todo aquello dio mucho que hablar y mucho trabajo a los teóricos y experimentadores, y al en los años ochenta, se había dado ya con todas las partículas de la materia (los quarks y los leptones), y teníamos las partículas mensajeras, o bosones gauge, de las fuerzas, a excepción de la gravedad.

La familia de los leptones está compuesta por el electrón, muón y tau con sus correspondientes neutrinos. Así quedó prácticamente el llamado modelo estándar que describe las partículas que forman la materia conocida y las fuerzas que intervienen e interaccionan con ellas. La gravedad quedó plasmada en la relatividad de Einstein.

¿Por qué es incompleto el modelo estándar? Una carencia es que no se haya visto todavía el quark top; otra, la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la gravedad. Otro defecto estético es que no es lo bastante ; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua de Empédocles. Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar. Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la gravedad que, con enorme simpleza y aplicando los principios naturales, trata los temas más profundos del universo. Esperemos que continúe desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, todas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al universo.

Sí, al Modelo Estándar la faltan algunas cosas y le sobran otras, o, al menos, sería necesario explicarlas mejor. La Gravedad no está presente y, hay una veintena de parámetros aleatorios que, como el Bosón de Higgs, no se pueden explicar…aún. La viene de lejos:

A todo esto y como he dicho, el quark top está perdido (ya se encontró) y el neutrino tau no se ha detectado directamente (pero experimentos nos han dicho que un neutrino muónico se puede transformar en uno tau), y muchos de los números que nos hacen falta conocer los tenemos de forma imprecisa. Por ejemplo, no sabemos si los neutrinos tienen alguna masa en reposo.

Tenemos que saber cómo la violación de la simetría CP (el proceso que originó la materia) aparece, y lo que es más importante, hemos de introducir un nuevo fenómeno, al que llamamos de Higgs, para preservar las coherencia matemática del modelo estándar. La idea de Higgs y su partícula asociada, el bosón de Higgs, cuenta en todos los problemas que he mencionado antes. Parece, con tantos parámetros imprecisos (19), que el modelo estándar está asentado sobre arenas movedizas.

En realidad, no sabemos si la relatividad y la teoría cuántica, son dos mundos antagónicos que nos empeñamos en unir

Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad 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 “supergravedad”, “supersimetría”, “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 no 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 nos es posible intuir 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! ¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas?

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y a los teóricos se les regaló una herramienta maravillosa: el hiperespacio; todo es posible. Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí sí es posible esa soñada teoría de la gravedad cuántica.

                      ¡Tiene tantos secretos el Universo! Arriba podrían estar los dos mayores

Así que las teorías se han embarcado a la búsqueda de un objeto 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 a bajar energías y contesta cosas sin sentido a altas energías. ¡Necesitamos algo más avanzado!

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las partículas que carecen de ella, disfrazando así la verdadera simetría del mundo. 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 resultó 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 profundizando, sospechando que después de los quarks puede haber algo más.

Con los últimos experimentos en el LHC, en busca de la partícula de Higgs, pudimos declaraciones como éstas:

“…confirmaron que durante este año, tal y como se ha anunciado hace semanas, se ha obtenido una auténtica marea de que dejan poco o ningún lugar a dudas sobre la existencia de la partícula que la teoría considera responsable de la masa de todas las demás partículas y sin la que el Universo, sencillamente no existiría tal y como lo conocemos.”

 

 

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 , el bloque adquirirá energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra. 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 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 de Higgs, éste genera toda la masa en reposo. Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del 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 ahora no tenemos ni idea de qué reglas controlan los incrementos de masa generados por Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC), pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas ­­- las masas de los W⁺, W^-, Z⁰, y el up, down, encanto, estraño, top y bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van desde 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 electromagnética y débil. En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa – los W⁺, W^-, Z⁰ y el fotón – que llevan la fuerza electrodébil. Además está el campo de Higgs, y rápidamente, los W y Z absorben 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 las teorías. Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y 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 Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera está libre de infinitos.

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista de cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa : “¿por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una voz potente y segura nos dice “¡Higgs!”. Durante más de sesenta años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el de Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva feynmaniana podría ser: ¿cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la materia?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente, y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen en entredicho que el concepto de masa sea un atributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que empleam cuando no saben hacerlo bien.

                       ¿Sabremos alguna vez cómo adquieren masa las partículas?

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno. ¿Será el efecto frenado en los campoos de Higgs la que le da masa a las partículas? Bueno eso dice nuestro amigo Ramón Máquez.

La idea de que la masa no es intrínseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en la que los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

Una cosa más; hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad. Hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espín de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espín cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el de Higgs da masa a los objetos quiera que estén y sin direccionalidad. Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” (sin dirección) por esa razón.

La interacción débil, recordaréis, fue inventada por E. Fermi para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV. Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, el bosón de Higgs “origen de la masa”… y algunas cosas más.

Hay que responder montones de preguntas: ¿cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs? y, lo que es más , ¿cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión del LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas o sólo las hace incrementarse? ¿Cómo podemos más al respecto? Cómo es su partícula, nos cabe esperar que la veremos ahora después de gastar más de 50.000 millones de euros en los elementos necesarios para ello.

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del universo, añadiendo pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

Existirán los campos de Higgs, o…

… sólo será una creación de la mente con su desbordante imaginación

El de Higgs, tal como se lo concibe ahora, se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Éstas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el de Higgs. Por lo tanto, el cuado que las partículas y la cosmología pintan juntas de un universo primitivo puro y de resplandeciente simetría es demasiado caliente para Higgs. Pero cuando la temperatura cae bajo los 10^-5 grados Kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas. Así, por ejemplo, antes del Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada.

El universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs (que “engorda” los W y Z, y por alguna razón ignora el fotón) y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe.

Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza W⁺, W^-, Z⁰, y por otra parte una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si para algunas partículas del de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviera con dificultad y que les hiciera parecer que tienen mucha masa.  Para otras partículas, el Higgs es como el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.

De todas formas, es tanta la ignorancia que tenemos sobre el origen de la masa que nos agarramos como a un clavo ardiendo, en este caso, a la partícula de Higgs, que algunos han llegado a llamar “la partícula divina”.

¡Ya veremos en qué termina todo esto!

                                    Sí, dudas hemos tenido todos

Hay otras muchas cuestiones de las que podríamos hablar y, la Física y la Astronomía, siendo mi gran Pasión, ocupa mucho de mi tiempo. La Física, amigos míos, nos dirá como es el “mundo” y digo mundo querinedo significar Naturaleza y Universo. La Física encierra una belleza…, que está presente en:

1. Una simetría unificadora.
2. La capacidad de explicar grandes cantidades de experimentales con las expresiones matemáticas más económicas.

El Modelo Estándar falla en ambos aspectos, mientras que la relatividad los exhibe, ambos, de manera bien patente. Nunca una teoría dijo tanto con tan poco; su sencillez es asombrosa y su profundidad increíble.De hecho, desde que se publicó en 1.915, no ha dejado de dar frutos, y aún no se han obtenido de ella todos los mensajes que contiene.

emilio silvera

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Hace unos años que pude leer este artículo

Una investigación liderada por el Instituto de Física Corpuscular (centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad de Valencia) ha obtenido evidencias de la ruptura de la simetría en el tiempo en las leyes de la Física.
El hallazgo, que se publica esta semana en la revista Physical Review Letters, ha sido realizado por la colaboración internacional BABAR, del laboratorio SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, de sus siglas en inglés) del Departamento de Energía de Estados Unidos en la Universidad de Stanford (California).

 

El tiempo discurre inexorablemente. En la historia del universo y en los sistemas complejos, la evolución temporal está asociada al aumento de entropía. Dicho de otro modo, con el paso del tiempo, el desorden siempre crece a partir de una situación inicial más ordenada.
Para explicarlo, podemos imaginar que vemos hacia atrás una película en la que un jarrón cae al suelo y se rompe en pedazos. Nos percataríamos muy rápido de que lo que observamos es imposible desde el punto de vista de las leyes físicas, porque sabemos que no es posible que los pedazos vuelen del suelo y se ordenen formando un jarrón. Y eso es porque desde nuestro punto de vista, “la flecha del tiempo” transcurre sin interrupción desde el pasado al futuro.

 

Ahora bien, para una partícula aislada, el paso del tiempo parece el mismo hacia delante y hacia atrás, es decir, su movimiento es reversible o temporalmente simétrico. Imaginemos que ahora vemos una película en la que aparece una bola de billar que choca contra una banda. Si no nos lo dicen, no seríamos capaces de saber si la proyección de la película va hacia delante o hacia atrás. Esto se debe a que, en ambos sentidos temporales, el movimiento de la bola de billar cumple las mismas leyes físicas.
Este concepto se conoce como simetría bajo inversión temporal y nos dice que, en el mundo de las partículas, las teorías físicas son válidas tanto para un sentido de su movimiento como para su inverso, lo que equivale a decir que funcionan igual hacia delante como hacia atrás en el tiempo.

 

El tiempo tiene una dirección preferente

 

 

José Bernabéu explica que “la ruptura de la simetría temporal o simetría T en física de partículas está relacionada con la asimetría CP existente entre materia y antimateria, necesaria para generar el universo actual de materia en algún momento de su historia. La simetría C afirma que, sabiendo que a cada partícula de la naturaleza le corresponde una antipartícula con carga opuesta, las leyes de la física serían las mismas al intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa”.

 

 

“La simetría CP se basa en la composición de la simetría C y la simetría P. La simetría C o simetría de carga afirma que las leyes de la Física serían las mismas si se pudiesen intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa. La simetría P o simetría de paridad dice que las leyes de la física permanecerían inalteradas bajo inversiones especulares, es decir, el universo se comportaría igual que su imagen en un espejo. La simetría CP es el producto de ambas.”

La simetría P señala que las leyes de la física permanecerían inalteradas bajo inversiones especulares, es decir, el universo se comportaría igual que su imagen en un espejo. Estas dos simetrías combinadas dan lugar a la simetría carga-paridad o simetría CP. Experimentos previos con partículas conocidas como mesones K y B han observado que no se cumple la simetría CP. Y el teorema CPT indica que, para cualquier sistema de partículas, las simetrías deben mantenerse equilibradas. O lo que es lo mismo, si la simetría CP no se cumple, la simetría T tampoco.
El investigador Fernando Martínez-Vidal añade:

“el experimento BABAR, que fue diseñado para el estudio en profundidad de la asimetría entre materia y antimateria, nos ha permitido ahora observar directamente por primera vez la ruptura de la simetría T”.

 

Correlación cuántica

 

 

Entre 1999 y 2008, se produjeron más de 500 millones de mesones B en el acelerador de partículas del SLAC, y sus contrapartidas de antimateria, llamados B-bar. Así, los científicos observaron cómo estas partículas incumplían la simetría CP. El problema para observar la ruptura de la simetría T residía en que los mesones B se desintegran irreversiblemente en pocas billonésimas de segundo, impidiendo invertir su situación inicial y final.

 

La solución se ha encontrado mediante la correlación cuántica entre los dos B, que permite que la información de la partícula que se desintegra primero se utilice en ese momento para determinar el estado de su partícula compañera que aún vive. Los investigadores han descubierto que el estado de este último mesón B se transforma en otro unas seis veces más a menudo en un sentido que en el inverso.

 

La ruptura de la simetría en el tiempo 

Bernabéu aclara que “este hecho demuestra inequívocamente la ruptura de la simetría bajo inversión temporal en las leyes fundamentales de la Física”. Estos resultados son tan contundentes que la probabilidad de que sean una casualidad es similar a la de obtener la misma cara de un dado al lanzarlo 55 veces seguidas, 14 sigma en lenguaje estadístico. Los físicos de partículas consideran que a partir de 5 sigma se trata de un descubrimiento.
La investigación cuenta con el apoyo del Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO), a través del Programa Nacional de Física de Partículas, y de la Generalitat Valenciana, a través del Programa de Excelencia PROMETEO.

 

En los medios:

“Observan la ruptura de la simetría en el tiempo en las leyes de la Física“, Europa Press (19/11/2010)
“El CSIC se topa con el tiempo asimétrico“, La Razón (19/11/2012)
“Time-reversal asymmetry in particle physics has finally been clearly seen“, Physics Today (noviembre 2012)
“Backward ran sentences…“, The Economist (septiembre 2012)

• Física de Partículas

Enlaces:

‘Observation of Time-Reversal Violation in the B0 Meson System’. J. P. Lees et al. (The BABAR Collaboration) / PhysRevLett.109.211801

Viewpoint: Particle Decays Point to an Arrow of Time. Michael Zeller, Department of Physics, Yale University (PRL)

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¿Cuantas veces, siendo un niño no me habré sentado en esos bancos de hierro, siempre friós? En el Paseo de Santa Fe, un lateral de la Iglesia de San Pedro al fondo. Al final a la izquierda el viejo edificio de ladrillos que hoy en día sigue en pie, y, frente por frente, un edificio antiguo que ya no existe y el solar es ocupado ahora por la Hacienda Pública, esa de la que dicen que “somos todos”, aunque es de algunos más que de otros. Pero, dejémonos de nostalgias y hablemos de Física y de sus personajes.

               Ludwig Boltzmann será el protagonista de hoy

Hay ecuaciones que son aparentemente insignificantes por su reducido número de exponentes que, sin embargo, ¡dicen tantas cosas…! En la mente de todos están las sencillas ecuaciones de Einstein y de Planck sobre la energía-masa y la radiación de cuerpo negro. Esa es la belleza de la que hablan los físicos se refieren a “ecuaciones bellas”.

                       Maxwell

Las ecuaciones de Maxwell…,  “y se hizo la luz”

La identidad de Euler: Algunos dijeron de su ecuación: “la expresión matemática más profunda jamás escrita”, “misteriosa y sublime”, “llena de belleza cósmica”, “una explosión cerebral”.

Newton y su segunda ley que, aunque no funcione cuando nos acercamos a velocidades relativistas, rompió la marcha la Gravedad.

Pitágoras y “su” teorema, también debe estar presente lo está su teorema en las construcciones de todo el mundo y… mucho más.

Schrödinger y su función de onda que tampoco se queda atrás (aunque la ecuación de Newton, si hablamos de velocidades relativistas…)

Velocidad de la luz desde la Tierra a la Luna, situada a más de 380.000 km.

• “Primer postulado. Principio especial de relatividad: Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. En otras palabras, no existe un sistema inercial de referencia privilegiado, que se pueda considerar como absoluto.
• Segundo postulado. Invariancia de c: La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal, c, que es independiente del movimiento de la fuente de luz.“

                     Causalidad física

“Previo a esta teoría, el concepto de causalidad estaba determinado: para una causa existe un efecto. Anteriormente, gracias a los postulados de Laplace, se creía que para todo acontecimiento se debía obtener un resultado que podía predecirse. La revolución en este concepto es que se “crea” un cono de luz de posibilidades (Véase gráfico arriba).

Se observa este cono de luz y ahora un acontecimiento en el cono de luz del pasado no necesariamente nos conduce a un solo efecto en el cono de luz futuro. Desligando así la causa y el efecto. El observador que se sitúa en el vértice del cono ya no puede indicar qué causa del cono del pasado provocará el efecto en el cono del futuro.”

“La relatividad especial postula una ecuación para la energía, la cual llegó a ser la ecuación más famosa del planeta, E = mc². A esta ecuación también se la conoce como la equivalencia entre masa y energía. En la relatividad, la energía y el momento de una partícula están relacionados mediante la ecuación:

 

Bueno, E = mc², nos lleva a profundidades de la materia antes jamás vistas y nos permite sacar conclusiones como que, en un  gramo de materia está encerrada toda la energíaconsumida por la Humanidad durante un minuto. ¡Masa y Energía son la misma cosa! Einstein, con esa ecuación de arriba de la relatividad especial, vino a cambiar el mundo y…,            cuando quince años más tarde desarrolló la segunda parte, relatividad general, a partir de entonces, nació la verdadera cosmología. ¡Nos habla de tantas cosas!

No sería justo dejar nombrar la ecuación de Dirac

“La ecuación de Dirac describe las amplitudes de probabilidad para un electrón solo. Esta teoría de una sola partícula da una predicción suficientemente buena del espín y del momento magnético del electrón, y explica la mayor parte de la estructura fina observada en las líneas espectrales atómicas. También realiza una peculiar predicción de que existe un conjunto infinito de estados cuánticos en que el electrón tiene energía negativa. Este extraño resultado permite a Dirac predecir, por medio de las hipótesis contenidas en la llamada teoría de los agujeros, la existencia de electrones cargados positivamente. Esta predicción fue verificada con el descubrimiento del positrón, el año 1932.”

Max Planck, en el año 1900, escribió un artículo de ocho páginas que cambió el mundo de la Física, allí quedó sembrada la semilla de la Mecánica Cuántica que más tarde, desarrollaron el mismo Einstein, Schrödinger, Feynman, Heisenberg, Dirac y muchos otros.

¿Qué decir de la maravillosa fórmula de la entropía de Boltzman?

S = k log W

 

Creo que , hablaremos de ella. Boltzman con su e ingenio,  le dio a la Humanidad la herramienta para que pudiera seguir avanzando en el difícil laberinto de la Cienca, es,  sin duda, uno de los físicos más ilustres del siglo XIX.

El científico desarrollado por Boltzmann en su época crítica de transición que puso el colofón a la física “clásica” –cuya culminación podríamos situar en Maxwell– y antecedió (en pocos años) a la “nueva” física, que podemos decir que comenzó con Max Planck y Einstein. Aunque ciertamente no de la importancia de los dos últimos, la labor científica de Boltzmann tiene una gran relevancia, tanto por sus aportaciones directas (creador junto con “su amigo” Maxwell y Gibbs de la mecánica estadística, aunque sea el formulismo de éste último el que finalmente haya prevalecido; esclarecedor del significado de la entropía, etc.) como por la considerable influencia que tuvo en ilustres físicos posteriores a los que sus trabajos dieron la inspiración, como es el caso de los dos mencionados, Planck y Einstein.

Cuando algo nos gusta y nos atrae, cuando es la curiosidad la que fluía nuestros deseos por saber sobre las cosas del mundo, del Universo y las fuerzas que lo rigen, cuando la Física se lleva dentro al poder reconocer que es el único camino que nos dará esas respuestas deseadas, entonces, amigos míos, los pasos te llevan a esos lugares que, por una u otra razón tienen y guardan los vestigios de aquellas cosas que quieres y admiras. Así me pasó cuando visité el Fermilab, la tumba de Hilbert y, también en Viena, donde no pude resistir la tentación de ver, con mis propios ojos esa imagen de arriba y, luego, pensar en lo mucho que significaba la escueta S = k log W que figura en la cabecera de la lápida de Boltzmann como reconocimiento a su ingenio.

La sencilla ecuación (como todas las que en Física han tenido una enorme importancia, es la mayor aportaciópn de Boltzmann y una de las ecuaciones más importantes de la Física. El significado de las tres letras que aparecen (aparte la notación para el logaritmo es el siguiente: S es la entropía de un Sistema; W el de microestados posibles de sus partículas elementales y k una constante de proporcionalidad que hoy día recibe el nombre de constante de Boltzmann y cuyo valor es k = 1,38066 x 10^-23 J/K (si el logaritmo se toma en base natural). En breve ecuación se encierra la conexión entre el micromundo y el macromundo, y por ella se reconoce a Boltzmann como el padre de la rama de la Física comocida como Mecánica Estadistica.

La entropía de un sistema es el desgaste que el sistema presenta por el transcurso del tiempo o por el funcionamiento del mismo. Los sistemas altamente entrópicos tienden a desaparecer por el desgaste generado por su proceso sistémico. Es una medida de desorden o incertidumbre de un sistema.

Como todas las ecuaciones sencillas de gran trascendencia en la física, hay un antes y un después de su formulación: sus consecuencias son de un calado tan profundo que han cambiado la de entender el mundo y, en particular, de hacer Física, a partir de ellas.De hecho, en este caso al menos, la sutileza de la ecuación es tal que hoy, más de cien años después de la muerte de su creador, se siguen investigando sus nada triviales consecuencias.

Boltzmann fue un defensor a ultranza del atomismo, polemizando sobre todo con Mach y Ostwald, antiatomistas partidarios de la energética y claros exponentes de la corriente idealista de la física alemana. Tuvo que abandonar su ambiciosa idea de explicar exactamente la irreversibilidad en términos estrictamente mecánicos; pero esta “derrota”, no ocultaré que dolorosa desde el punto de vista , le fue finalmente muy productiva, pues de alguna manera fue lo que le llevó al concepto probabilista de la entropía. Estas primeras ideas de Boltzmann fueron reivindicadas y extendidas, en el contexto de la teoría de los sistemas dinámicos inestables, sobre todo por la escuela de Prigogine, a partir de la década de 1970.

La personalidad de Boltzmann era bastante compleja. Su de ánimo podía pasar de un desbordante optimismo al más negro pesimismo en cuestión de unas pocas horas. Era muy inquieto; él decía – medio en serio, medio en broma – que eso se debía a haber nacido en las bulliciosas horas finales de los alegres bailes del Martes de Carnaval, previas a los “duelos y quebrantos” (entonces) del Miércoles de Ceniza.

                     Boltzmann at age 31 with his wife, Henrietta, in 1875

Su lamentable final, su suicidio en Duino (Trieste) el 5 de septiembre de 1906, muy probablemente no fue ajeno a esa retorcida personalidad, aunque su precaria salud física fue seguramente determinante a la hora de dar el trágico paso hacia el lado oscuro.

Uno de los problemas conceptuales más importantes de la física es cómo compatible la evolución irreversible de los sistemas macroscópicos (el segundo principio de la termodinámica) con la mecánica reversible (las ecuaciones de Hamilton o la ecuación de Schrödinger) de las partículas (átomos o moléculas) que las constituyen. que Boltzmann dedujo su ecuación en 1872, este problema ha dado lugar a muy amplios debates, y el origen de la irreversibilidad es, aún hoy en día, controvertido.

En una de sus primeras publicaciones, Boltzmann obtuvo en 1866 una expresión de la entropía, que había sido definida un año antes por Clausius, basado en conceptos mecánicos. Las limitaciones de este eran que su aplicación se restringía al estudio de los gases y que el sistema era periódico en el tiempo. Además, Boltzmann no pudo deducir de su definición de entropía la irreversibilidad del segundo principio de la termodinámica de Clausius. En 1868, basándose en las ideas probabilísticas de Maxwell, obtuvo la distribución de equilibrio de un gas de partículas puntuales bajo la acción de una fuerza que deriva de un potencial (distribución de Maxwell-Boltzmann).

En el Universo, considerado como sistema cerrado, la entropía crece y…

En 1.872 publicó la denominada ecuación de Boltzmann para cuya deducción se basó, aparentemente, en ideas mecánicas. ecuación contiene, sin embargo, una hipótesis no mecánica (estadística) o hipótesis del caos molecular, que Boltzmann no apreció como tal, y cuya mayor consecuencia es que, cualquiera que sea la distribución inicial de velocidad de un gas homogéneo diluido fuera del equilibrio, ésta evoluciona irreversiblemente hacia la distribución de velocidad de Maxwell. A raíz de las críticas de Loschmidt (paradoja de la reversibilidad) y Zermelo (paradoja de la recurrencia), Boltzmann acabó reconociendo el carácter estadístico de su hipótesis, y en 1877 propuso una relación entre la entropía S de un sistema de energía constante y el de estados dinámicos W accesibles al sistema en su espacio de fases; esto es, la conocida ecuación S = k_B ln W, donde k_B es la constante de Boltzmann. En esta nota, se hace una breve descripción de la ecuación de Boltzmann y de la hipótesis del caos molecular.

   El comportamiento de los gases siempre dio a los físicos en qué pensar

La ecuación de Boltzmann describe la evolución temporal de un gas diluido de N partículas puntuales de masa m contenidas en un volumen V que interaccionan a través de un potencial de par central repulsivo V(r) de corto alcance a. Como simplificación adicional, considérese que sobre las partículas no actúan campos externos. Si f₁(r,v,t) indica la densidad de partículas que en el tiempo t tienen un vector de posición r y velocidad v, que está normalizada en :

∫dr ∫dvƒ₁(r,v,t) = N

Su evolución temporal es la suma de dos contribuciones. En ausencia de interacción, las partículas que en el tiempo t tienen vector de posición r y velocidad v se encuentran, después de un intervalo de tiempo Δt, en r + v Δt y tiene la misma velocidad.

f₁(r + vΔt,v,t + Δt) = f₁(r,v,t)

en el límite Δt → 0 (2) se escribe:

∂₁ f₁(r,v,t) = – v∂_r f₁(r,v,t)

Que es una ecuación invariante bajo el cambio t → – t y v → – v. La evolución es, por tanto, mecánica.

    Todo, con el paso del tiempo, se destruye y transforma

Se cumplieron más de cien años desde la muerte de Boltzmann y su sigue siendo recordado. No pienso que Boltzmann creyera en la existencia real de los átomos, pero sí en su utilidad e incluso en su necesidad para comprender las leyes macroscópicas y la evolución irreversible de los fenómenos macroscópicos desde una base más fundamental que el nivel fenomenológico. Pero había quien (con autoridad) no creía ni en la existencia ni en su utilidad. Este debate no era ajeno a las tendencias ideológicas, religiosas y usos sociales de aquella época porque, en general, la ciencia es parte de la cultura y depende del momento histórico que viven los científicos, al fin y al cabo, seres humanos como los demás, influenciables por su entorno en una gran medida.

Por el siglo XIX, e incluso , ya se hablaba de “átomos”* y una rudimentaria teoría cinética de los gases gozaba de aceptación y utilidad científica (recordemos los trabajos de Benoulli, Dalton, Laplace, Poisson, Cauchy, Clausius, Krönig… y Maxwell). fue Boltzmann quien definitivamente profundizó en la cuestión, para el estudio del equilibrio y, sobre todo, intentando explicar mecánicamente (mecano-estadísticamente) la evolución termodinámica irreversible y la descripción de los procesos de transporte ligados a ella. Y, nuevamente (por su enorme importancia) no podemos dejar de mencionar la muy singular labor que hicieron Gibbs, Einstein, Planck, Fermi y otros. Sin la motivación ideológica de Boltzmann, Gibbs elaboró una bellísima, útil y hoy dominante formulación (cuerpo de doctrina) de la termodinámica y física estadística.

                     Lorentz

Fue Lorentz quien primero utilizó la ecuación de Boltzmann y lo hizo describir la corriente eléctrica en sólidos dando un paso significativo por encima del pionero Drude. Lorentz introdujo un modelo opuesto al browniano donde partículas ligeras como viento (electrones) se mueven chocando entre sí y con árboles gordos (tales como iones en una red cristalina); un modelo del que se han hecho estudios de interés tanto físico como matemático. Enskog (inspirándose en Hilbert) y Chapman (inspirándose en Maxwell) enseñaron cómo integrar la ecuación de Boltzmann, abriendo vías a otras diversas aplicaciones (hidrodinámica, propagación del sonido, difusión másica, calor, fricción viscosa, termoelectricidad, etc.). Recordemos que Boltzmann encontró como solución de equilibrio de su ecuación una distribución de velocidades antes descubierta por Maxwell (hoy, como reseñé anteriormente, de Maxwell-Boltzmann), por lo que concluyó que así daba base microscópica mecánica (teorema H mecano-estadístico) al segundo principio de la termodinámica (estrictamente, evolución de un sistema aislado hacia su “desorden” máximo).

Está claro que ningún físico que se precie de serlo puede visitar Viena sin visitar el parque Zentralfriedhof ver la tumba de Boltzmann. Yo sí me pasé por allí. Me senté junto a la tumba; el lugar estaba desierto, y cerrando los ojos traté de conectar con la conciencia del genio. La sensación, extraña y agradable, seguramente fue creada por mi imaginación, pero creo que charlé con él en el interior de mi mente – la fuerza más potente del universo– y aquellos sentimientos, aquel momento, compensaron el esfuerzo del viaje.

En la tumba, sobre una gran lápida de mármol de color blanco con los nombres Ludwig Boltzmann y de los familiares enterrados con él, sobre el busto de Boltzmann, se puede leer la inscripción, a modo de epitafio:

Esta sencilla ecuación es la mayor aportación de Boltzmann y una de las ecuaciones más importantes de la física. El significado de las tres letras que aparecen (aparte la notación del logaritmo) es el siguiente:

• S es la entropía de un sistema.
• W es el de microestados posibles de sus partículas elementales.
• k es una constante de proporcionalidad que hoy recibe el de Constante de Boltzmann, de valor 1’3805 × 10^-23 J/K (si el logaritmo se toma en la base natural)

 

¿Qué secretos se encierran aquí? ¿Cómo nos lleva a estos pensamientos? ¿Llegaremos algún día a conocernos?

En esta breve ecuación se encierra la conexión entre el micromundo y el macromundo, y por ella se reconoce a Boltzmann como el padre de la rama de la física conocida como mecánica estadística.

Como todas las ecuaciones sencilla de gran trascendencia en la física (como la famosa E = mc²), hay un antes y un después de su formulación: sus consecuencias son de un calado tan profundo que cambiaron la de entender el mundo, y en particular, de hacer física a partir de ellas. De hecho, la sutileza de la ecuación es tal que hoy, cien años después de la muerte de su creador, se siguen investigando sus nada triviales consecuencias. Creo que lo mismo ocurrirá con α = 2πe²/ħc que, en tan reducido espacio y con tan pocos símbolos, encierra los misterios del electromagnetismo (el electrón), de la constante de Planck (la mecánica cuántica), y de la luz (la relatividad de Einstein), todo ello enterrado profundamente en las entrañas de un : 137.

Bueno, a pesar de todo lo anterior, Schrödinger nos decía:

“La actitud científica ha de ser reconstruida, la ciencia ha de rehacerse de ”

 

 

¡Lo grande y lo pequeño! ¡Son tantos los secretos de la Naturaleza!

Siempre hemos tenido consciencia de que en física, había que buscar nuevos paradigmas, nuevos caminos que nos llevaran más lejos. Es bien conocida la anécdota de que a finales del siglo XIX un destacado físico de la época William Thomson (1824-1907) conocido como Lord Kelvin, se atrevió a decir que solo dos pequeñas “nubecillas” arrojaban sombras sobre el majestuoso panorama de conocimiento que había construido la física clásica Galileo y Newton hasta ese momento: el resultado del experimento de Michelson-Morley, el cual había fallado en detectar la existencia del supuesto éter luminífero; y la radiación del cuerpo negro, i.e la incapacidad de la teoría electromagnética clásica de predecir la distribución de la energía radiante emitida a diferentes frecuencias emitidas por un radiador idealizado llamado cuerpo negro. Lo que Lord Kelvin no puedo predecir es que al tratar de disipar esas dos “nubecillas”, la física se vería irremediablemente arrastrada a una nueva física: la física moderna fundada sobre dos revoluciones en ciernes: la revolución relativista y la revolución cuántica con dos  científicos como protagonistas: Planck y Albert Einstein. Sin embargo, ha pasado un siglo y seguimos con esas dos únicas guías para el camino y, resultan insuficientes para llegar a la meta que… ¡Está tan lejos!

emilio silvera

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La evolución de una Atmósfera planetaria que sustente la Vida requiere de una serie de requisitos en la fase inicial en la cual, el Oxígeno es liberado por fotodisociación de vapor de agua. en la Tierra esto sucedido en unos 2.400 millones de años y llevó el oxígeno atmosferico aproximadamente a una milésima del actual…

Llegará un día en el que, podremos entrar en un inmenso espacio, una enorme habitación, en la que, previa elección de la  programación adecuada, todo se transformará en un “mundo ficticio”, un holograma que, lo mismo podrá ser una playa luminosa con arena dorada por el Sol que, una Selva tropical o un desierto, dependiendo de los gustos del usuario.

Si repasamos la historia de la ciencia, seguramente encontraremos muchos motivos para el optimismo. Witten (el Físico de la Teoría M),  está convencido de que la ciencia será algún día capaz de sondear hasta las energías de Planck. Como ya he referido 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 25 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 de incertidumbre de Heisenberg, la función de ondas de Schrödinger, y tantos otros. Algunos de los físicos teóricos más famosos, sin embargo, protestaban de tanto empeño en la experimentación. El astrónomo arthur Eddington se cuestionaba incluso si los científicos no estaban forzando las cosas cuando insistían en que todo debería ser verificado. ¡Cómo cambia todo con el Tiempo! Hasta la manera de pensar.

Esta belleza es la eçuación de Dirac. La belleza viene de que, con unos pocos signos se dicen muchas cosas

“Gracias a esto, se describe el fenómeno de entrelazamiento cuántico, que en la práctica dice que: ‘Si dos sistemas interactúan uno con el otro durante un cierto período de tiempo y luego se separan, lo podemos describir como dos sistemas separados, pero de alguna manera sutil están convertidos en un solo sistema. Uno de ellos sigue influyendo en el otro, a pesar de kilómetros de distancia o años luz’. Esto es el entrelazamiento cuántico o conexión cuántica. Dos partículas que, en algún momento estuvieron unidas, siguen estando de algún modo relacionadas. No importa la distancia entre ambas, aunque se hallen en extremos opuestos del universo. La conexión entre ellas es instantánea.”

Sin embargo, muchos son los ejemplos de un ingenio superior que nos llevaron a desvelar secretos de la Naturaleza que estaban profundamente escondidos, y, el trabajo de Dirac en relación al electrón, es una buena muestra de ese ingenio humano que, de vez en cuando vemos florecer.

El mar de Dirac: un mar infinito de partículas con energía negativa

Ya que la ecuación de Dirac fue originalmente formulada para describir el electrón, las referencias se harán respecto a “electrones”, aunque actualmente la ecuación se aplica a otros tipos de partículas elementales de espín ½, como los quarks. Una ecuación modificada de Dirac puede emplearse para describir de forma aproximada los protones y los neutrones, formados ambos por partículas más pequeñas llamadas quarks (por este hecho, a protones y neutrones no se les da la consideración de partículas elementales).

La ecuación de Dirac la podemos ver de  la siguiente forma:

Siendo m la masa en reposo del electrón, c la velocidad de la luz,  p el operador de momento, la constante reducida de Planck,  x y t las coordenadas del espacio y el tiempo,  respectivamente; y ψ (x, t) una función de onda de cuatro componentes. La función de onda ha de ser formulada como un espinor (objeto matemático similar a un vectorque cambia de signo con una rotación de 2π descubierto por Pauli y Dirac) de cuatro componentes, y no como un simple escalar,  debido a los requerimientos de la relatividad especial. Los α son operadores lineales que gobiernan la función de onda, escritos como una matriz y son matrices de 4×4 conocidas como matrices de Dirac.

El premio Nobel 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 decido según mis propios criterios mi opinión, que no obligatoriamente coincidirá con alguna de esas opiniones, y que en algún caso, hasta me permito emitirla.

Y,k en el momento más inesperado, allí aparece…

Esto parece indicar que la Teoría M (o de cuerdas), aunque por el momento no se puede verificar, está en el buen camino y ahí subyace una Teoría cuántica de la Gravedad, es decir, en la amplitud de las 11 dimendiones, sí se pueden juntar (sin provocar infinitos), la Cuantica y la Relatividad, lo cual no se produce en el Modelo Estandar.

¿No es curioso que, cuando se formula la moderna Teoría M, surjan, como por encanto, las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General? Nadie las llama y, sin embargo, allí aparecen para decirnos que, la Teoría de cuerdas es un buen camino a seguir, ya que, si en ella subyacen las ecuaciones de Einstein de la relatividad General… ¡No debe ser por casualidad!

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 “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.

                      Las primeras observaciones realizadas por Planck | ESA y Axel Mellinger.

Fuimos capaces de predecir que el Big Bang produjo un “eco” cósmico reverberando en el universo y que podría ser mesurable por los instrumentos adecuados. De hecho, Arno Penzias y Robert Wilson de los Bell Telephone Laboratories ganaron el premio Nobel en 1.978 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.

la estufa básicaes la resistencia por hilo enrollado Nicrom. Ésta se llega a poner al rojo vivo, por lo que emite también algo de calor por radiación.

Cualquier objeto, cuando se calienta, emite radiación de forma gradual. Ésta 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, cómo 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 infrarrojo. Ésta es también la razón de que nuestros automóviles cerrados se calientes en verano, ya que la luz del Sol atraviesa los cristales del coche 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 como para detectar esta radiación “fósil”.

Ya la lista de ingenios es larga. Todos quieren medir la radiación del fondo de microondas generadas por el Big Bang. Incluso hemos preparado telescopios especiales para que nos puedan captar las ondas gravitatorias surgidas en aquellos primeros momento de la inflación.

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 estaba 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 grades distancias sin ser dispersada. En otras palabras, el universo se hizo repentinamente negro 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 longitudes de onda y la disminución 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, de 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 especialmente para la radiación ultravioleta y también para denotar radiación que podría afectar a las emulsiones fotográficas.

La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos astrofísicos de gran violencia.

Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.

La Radiación expone un amplio abanico dependiendo de la fuente:  blanda, radiación cósmica, radiación de calor, radiación de fondo, de fondo de microondas, radiación dura, electromagnética, radiación gamma, infrarroja, ionizante, monocromática, policromática, de sincrotón, 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 (1.858 – 1.947), 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 cantidad 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, E_m, está dada por la ecuación que lleva su nombre: E_m = hf – Φ.

Cada metal requiere, para que se produzca la extracción, una radiación con una frecuencia mínima (n_o). Cualquier otra radiación de menor frecuencia, no será capaz de arrancar electrones. Por debajo de la frecuencia mínima la intensidad de corriente -”i” (amperios)- será cero. No hay efecto fotoeléctrico.

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, Heisenberg, Schrödinger, 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 física. Pongamos un par te ejemplos de su ingenio:

Es interessante seguir las secuencias y ver hasta donde nos llevan

1.      vale 10^-35 metros. Esta escala de longitud (veinte órdenes de magnitud menor que el tamaño del protón, de 10^-35 m) es a la que la descripción clásica de gravedad cesa de ser válida y debe ser tenida en cuenta la mecánica cuántica. En la fórmula que la describe, G es la constante gravitacional, ħ es la constante de Planck racionalizada y c en la velocidad de la luz.

2.      . Es la masa de una partícula cuya longitud de onda Compton es igual a la longitud de Planck. En la ecuación, ħ es la constante de Planck racionalizada, c es la velocidad de la luz y G es la constante gravitacional. Así, Se denomina masa de Planck a la cantidad de masa (21,7644 microgramos) que, incluida en una esfera cuyo radio fuera igual a la longitud de Planck,  generaría una densidad del orden de 10⁹³ g/cm³. Según la física actual, esta habría sido la densidad del Universo cuando tenía unos segundos, el llamado Tiempo de Planck. Su ecuación, es decir la masa de Planc se denota:

El valor de la masa de Planck se expresa por una fórmula que combina tres constantes fundamentales, la constante de Planck,  (h), la velocidad de la luz (c),  y la constante de gravitación universal (G). La masa de Planck es una estimación de la masa del agujero negro primordial menos masivo, y resulta de calcular el límite donde entran en conflicto la descripción clásica y la descripción cuántica de la gravedad.

“Aunque todas estas descripciones reflejan más una abundante imaginación que un hecho existencial apoyado teóricamente con alguna hipótesis que pueda ser comprobada en el laboratorio sobre hechos que están más allá de poder ser medidos jamás en algún laboratorio construído por humanos. La única forma de confrontar la factibilidad o la posibilidad del modelo de la espuma cuántica nos lleva necesariamente a confrontar la carencia de un modelo que logre unificar exitosamente al macrocosmos con el microcosmos, a la Relatividad General con la Mecánica Cuántica, la Gravedad Cuántica. Si la energía y la materia (o mejor dicho la masa-energía) están discretizadas, se supone que también deben de estarlo el espacio y el tiempo (o mejor dicho, el espacio-tiempo), y la “partícula fundamental” del espacio-tiempo debe de serlo el gravitón, aunque de momento todo esto son especulaciones que seguirán siéndolo mientras no tengamos a la mano algo que pueda confirmar la existencia de tan exótica partícula, quizá la más exótica de cuantas hayan sido concebidas por la imaginación del hombre.”

 

La descripción de una partícula elemental de esta masa, o partículas que interaccionan con energías por partículas equivalentes a ellas (a través de E = mc²), requiere de una teoría cuántica de la gravedad. Como la masa de Planck es del orden de 10^-8 Kg (equivalente a una energía de 10¹⁹ 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 10³ 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 éste 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. Muchos han sido los velos que hemos podido descorrer para que, la luz cegadora del saber pudiera entrar en nuestras mentes para hacerlas comprender cómo actuaba la Naturaleza en ciertas ocasiones y el por qué de tales comportamientos, y, sin embargo, a pesar del largo camino recorrido, es mucho más el que nos queda por andar.

emilio silvera

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En cualquier sitio que miremos nos dirán que la supersimetría en la física de partículas es: Una simetría hipotética propuesta que relacionaría las propiedades de los Bosones y los Fermiones. Aunque todavía no se ha verificado experimentalmente que la supersimetría sea una simetría de la naturaleza, es parte fundamental de muchos modelos teóricos, incluyendo la teoría de supercuerdas. La sipersimetría La también es conocida por el acrónimo inglés SUSY.

La Supersimetría tiene unas matemáticas muy bellas y por esa razón los artículos sobre el tema están llenos de ellas. Como ha sucedido antes, por ejemplo, cuando se propuso la teo´ria de Yang – Mills, tenemos un esquema matemático brillante que aún no sabemos como encajar en el conjunto de las leyes naturales. No tiene ningún sentido, todavía, pero esperamos que lo tenga en un tiempo futuro.

Hay otro escenario mucho más atractivo para nuestra imaginación. Hemos podido ver que los átomos están formados  por pequeños constituyentes, los fotones, neutrones y electrones. Luego descubrimos que esos constituyentes, a su vez, tienen una subestructura: están formados de quarks y gluones. ¿Por qué, como probablemente hayas  pensado tú antes, el proceso no continúa así? Quizñá esos Quarks y Gluones, e igualmente los electrones y todas las demás partículas aún llamadas “elementales” en el Modelo Estándar, estén también construidas de unos granos de materia aún menores y, finalmente, toda esa materia, si seguimos profundizando, nos daría la sorpresa de que toda ella es pura luz, es decir, la esencia de la materia.

Yo he tenido esa idea muy frecuentemente, nadie me quita de la cabeza que la materia, en lo más profundo de su “ser”, es la luz congelada en trozos de materia que, cuando llegan los sucesos, las transiciones de fase, se deja ver y sale a la “luz” del mundo para que la podamos contemplar.

Simetría es nuestra presencia aquí como observadores, la concha de un caracol, una galaxia, una flor y también las estrellas y los mundos, todo forma un conjunto armónico que hace ese todo en el que nosotros, inmersos en tanta grandeza, no acabamos de asimilar lo mucho que la Naturaleza nos quiere transmitir y, al formar parte de ella, nos cuesta más mirarla desde “fuera” para entenderla, sin ser conscientes que, en realidad, la debemos mirar desde dentro, ahí es donde estamos. ¡Dentro de ella! Siempre hay algo más allá:

     The Scale of the Universe 2 – HTwins.net

¿Quieres darte una vueltecita por el universo, en un tiempo razonable y entre las escalas de lo más inimaginablemente grande y lo infinitesimalmente pequeño? Prueba The Scale of the Universe 2, segunda parte de un interactivo similar que hace tiempo estuvo circulando por la Red, y a disfrutar. Basta mover la barra de desplazamiento o usar la rueda del ratón, y también se puede hacer clic sobre los objetos para aprender algo sobre ellos.

Todas ellas, sin excepción, están formadas por las mismas cosas, los mismos elementos, las mismas fuerzas y las mismas constantes dinámicas que actúan según unos patrones encaminados a cambiarlo todo para que todo sea renovado.

 Todos sabemos de las grandes estructuras (inertes o vivas) que, en su inmensidad, transportan dentro de ellas o en la misma superficie, otras estructuras más pequeñas que, no por ello, dejan de ser también complejas. Grandes pulgas transportan pequeñas pulgas en su piel y, al igual que nosotros, llevan en ellas mismas a otros animáculos más pequeños, o, infinitesimales que, también, como nosotros, animales más grandes, tienen una misión encomendada sin la cual, seguramente nosotros, ni podríamos ser. Así que, tenemos que prestar mucha atención a lo que creemos “ínfimo” y que, en la mayoría de las veces, resulta ser más importante de lo que podemos llegar a imaginar.

Si miramos a los Quarks de un protón, por ejemplo, la mecánica cuántica (esa teoría maravillosa que controla todo el micromundo con increíble precisión), exige que el producto de la masa por la velocidad, el llamado “momento”, debe ser inversamente proporcional al tamaño de la “caja” en la cual ponemos nuestro sistema. El protón puede ser considerado como una de tales cajas y es tan pequeño que los quarks en su interior tendrían que moverse con una velocidad cercana a la de la luz. Debido a esto, la masa efectiva de los quarks máss pequeños, u y d, es aproximadamente de 300 MeV, que es mucho mayor que el valor que vemos en las Tablas de Partículas; eso también expñlica porque la masa del Protón es de 900 MeV, mucho mayor que la suma de las masas en reposo de los quarks /y Gluones).

 Sí, dentro de los protones y neutrones, seguramente pueda haber mucho más de lo que ahora podemos vislumbrar. Nuestros aceleradores de partículas han podido llegar hasta ciertos límites que nos hablan de Quarks y ahora se buscan partículas supersimétricas o bosones traficantes de masa (como diría Ton Wood), y, nosotros, no sabemos si esos objetos existen o si podremos llegar a encontrarlos pero, por intentarlo… No dudamos en gastar ingentes cantidades y en utilizar cuantos recursos humanos sean precisos. El conocimiento de la Naturaleza es esencial para que, el futuro de la Física, sea la salvación de la Humanidad o, en su caso, de la raza que vendrá detrás de nosotros.

Algunas Teorías, como todos conocemos, han intentado unificar teorías de color con las de supersimetría. Quizá los nuevos Aceleradores de  Hadrones  (LHC) y otros similares que estarán acabamos poco después de estas primeras décadas del siglo XXI, nos puedan dar alguna pista y desvelar algunos de los nuevos fenómenos asociados a los nuevos esquemas que se dibujan en las nuevas teorías.

El fotón es la partícula más veloz del Universo, es también la transmisora de la fuerza electromagnética entre partículas cargadas como los electrones. Los fotones no tienen masa, marcan el límite de la velocidad en nuestro Universo y están presentes en todos los tipos de radiaicón que se producen.

Los astrofísicos están muy interesados en estas ideas que predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas y, también varios tipos de partículas  que interaccionan ultradébilmente. Estas podrían ser las “famosas” WIMPs que pueblan los huecos entre galaxias para cumplir los sueños de los que, al no saber explicar algunas cuestiones, acudieron a la “materia oscura” que, como sabeis, les proporcionó el marco perfecto para ocultar su inmensa ignorancia. “¡La masa perdida!” ¿Qué masa es esa? Y, sin embargo, los Astrofísicos, incansables, se aferran a ella y la siguen buscando…¡Ilusos!

             ¡El Universo! ¡Son tantas cosas!

Desde nosotros los observadores, hasta la más ínfina partícula de materia

Yo, en mi inmensa ignorancia,  no puedo explicar lo que ahí pueda existir. Sin embargo, sospecho que, deberíamos ahondar algo más en esa fuerza que llamamos Gravedad y que, me da la sensación de que nos esconde secretos que aún no hemos sabido desvelar. Y, por otra parte, tengo la sospecha de que la Luz, es más de lo que podemos suponer.

Ella dijo: “Dime algo bonito”, y él le dijo: “(∂ + m) ψ = 0”.

 

“Ésa es la ecuación de Dirac. Gracias a esto, se describe el fenómeno de entrelazamiento cuántico, que en la práctica dice que: ‘Si dos sistemas interactúan uno con el otro durante un cierto período de tiempo y luego se separan, lo podemos describir como dos sistemas separados, pero de alguna manera sutil están convertidos en un solo sistema. Uno de ellos sigue influyendo en el otro, a pesar de kilómetros de distancia o años luz’. Esto es el entrelazamiento cuántico o conexión cuántica. Dos partículas que, en algún momento estuvieron unidas, siguen estando de algún modo relacionadas. No importa la distancia entre ambas, aunque se hallen en extremos opuestos del universo. La conexión entre ellas es instantánea.”

emilio silvera

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