domingo, noviembre 29, 2015

Algo no cierra

Hasta la llegada de Einstein, según la física clásica, el espacio y el tiempo eran independientes y absolutos, es decir, el espacio era el mismo en todos los sitios y el tiempo transcurría igual en cualquier lugar. El espacio y el tiempo dejan de ser absolutos para depender de la velocidad a la que se mueven las cosas. 
En 1905, Einstein publicó cuatro artículos fundamentales en el mundo de la física. En uno de ellos sentó las bases de la Relatividad Especial, con la que postuló que, en el vacío, la velocidad de la luz es constante (300.000 kilómetros por segundo), un límite cósmico que nada ni nadie puede superar.
Y partiendo de esa premisa, con el tiempo y el espacio pasan cosas extrañas cuando nos acercamos a la velocidad de la luz: El tiempo pasa más despacio y el espacio se contrae.
Aunque las leyes de Newton supusieron una extraordinaria revolución tecnológica ni él ni los que le sucedieron supieron explicar cómo funcionaba la gravedad.
La disonancia entre Newton y Einstein reside en que, para el primero, la fuerza de la gravedad afecta a los objetos de forma instantánea -cuando tiramos un pelota al suelo cae inmediatamente-, pero con ello se saltaba el límite de la velocidad de la luz.
Según la gravitación de Newton, si el Sol desapareciese de repente, los planetas saldrían inmediatamente disparados de su órbita. Sin embargo, Einstein sabía que la luz del Sol tarda ocho minutos en recorrer la distancia que le separa de la Tierra, eso significa que seguiríamos viendo su luz durante ese lapso ¿Cómo era posible, entonces, que el planeta se saliera de su órbita antes de quedar a oscuras?.
Buscando respuesta a esa pregunta, Einstein construyó un modelo en el que la gravedad no sería instantánea, sino que viajaría exactamente a la velocidad de la luz. Pero fue más allá. El espacio y el tiempo, hasta entonces independientes, Einstein los unifica en el tejido espacio-tiempo, donde la gravedad no sería una fuerza en sí, sino el resultado de la deformación de ese tejido por la presencia de objetos celestes.

domingo, noviembre 27, 2011

Libertad ¿cuántica?

Las cosas no son como parecen o como pueden creer filósofos solemnes, convencidos de haber llegado a "la esencia del ser". Lo que parece obvio se ha vuelto enigmático: ¿por qué nos hallamos ante un universo con su única historia objetiva -independiente de que la conozcamos o no-, si se sabe que sus componentes mínimos trazan infinidad de historias que el observador parece dirigir desde el presente?

Pocos experimentos en la historia de la ciencia conservan tanta vigencia como el realizado por el físico inglés Thomas Young en 1801. El experimento consiste en enfocar un rayo luminoso sobre una placa donde hay dos rendijas verticales y  paralelas que, al ser atravesadas por la luz, registran en una pantalla posterior  varias bandas claras y oscuras. Ello muestra, se pensó, que la luz es una onda y esas bandas una señal de interferencia de ondas. Si fueran corpúsculos los componentes de la luz -se dedujo- debía aparecer sólo una banda luminosa detrás de cada rendija, señal de los impactos recibidos después de atravesarlas. La física cuántica ha retomado el experimento y sus resultados siguen dejando perplejo al sentido común. Porque cuando se observa cuál de ambas rutas han tomado antes de ingresar en las ranuras, electrones y fotones se comportan como partículas (atraviesan sólo por una rendija). Pero si no se los observa, entonces se comportan como ondas (atraviesan por ambas ranuras). Esto cuestiona una idea central de las ciencias: lo real está sometido a reglas con independencia de que sea observado o conocido por nosotros. La objetividad de la ciencia reposa en esa convicción. Esta rareza del comportamiento cuántico se complica aún más con el experimento de la elección retardada, propuesto por el físico Wheeler en 1978 y ejecutado años después por físicos del CERN.  El experimento consiste en una modificación del experimento de la doble ranura. Esta vez la observación se ubica después que el electrón o fotón ha tomado una ruta (como corpúsculo) o ambas (como onda). En este caso, cuando el electrón o el fotón llega al punto en que se registra su huella, ya ha cumplido su recorrido por una ruta o por ambas. La colocación de esta observación -se presume- no puede alterar ese recorrido ya cumplido. Pero ocurre que no es así: colocar o no dicho registro determina que el electrón o fotón provenga por una ruta o por ambas, respectivamente. Esa acción de mensura en un presente, pues, actúa sobre un pasado que parecía ya realizado. Y ello viola otra presunción de nuestro conocimiento: la causa no puede ser posterior al efecto. Experimentos vinculados al hallazgo del comportamiento cuántico en la doble rendija vienen socavando otro par de supuestos de la ciencia y el sentido común: la localización en un espacio-tiempo de las partículas y la existencia de una sola historia en cualquier proceso físico. Sólidamente asentados en el sentido común y en la ciencia ejercida sobre escalas masivas (como la humana) ambas ideas defienden que todo lo que existe está localizado en el espacio-tiempo y ocurre en una secuencia ordenada trazando una sola historia, no muchas. Sin embargo, entre los puntos A de inicio y B de término, una partícula no viaja por un solo recorrido sino por todos los recorridos posibles simultáneamente. Para colmo, un experimento ideado por Einstein en 1935 y que se apoyaba en la negación de la acción a distancia a velocidades superiores a la de la luz entre dos partículas, viene siendo realizado. Y contradice las predicciones de Einstein: desde 1982 parece concluyente  que partículas sometidas al experimento (Aspect) se hallan extrañamente "enredadas" y se "transmiten información" de manera instantánea, no importa la distancia que las separe. Destaco una analogía (parcial, ciertamente) entre esa perturbación de su pasado,  ejercida por la partícula observada en el experimento de Wheeler, y nuestro acto más cotidiano de las elecciones que ejecutamos. Hay siempre en éstas una prefiguración del futuro desde la cual modificamos nuestro presente. Cuando dos personas acuerdan encontrarse en cierto café a las 20 horas del día siguiente, nótese que también aquí habrá un hecho (ese encuentro a las 20 horas del día siguiente) que se convertirá en presente realizado desde un futuro imaginado.  Esa futuridad ideada habrá causado ese presente. El futuro (imaginado, es cierto) funciona como causa que  actúa hacia atrás. El préstamo bancario obedece a esa causalidad cuántica: la deuda futura es causa del préstamo presente, éste su efecto.


Observador que perturba
El físico Roger Penrose ha propuesto otro acercamiento entre los fenómenos mentales (que anticipan el futuro mediante el conocimiento y están extrañamente no-localizados) con las propiedades del  enredo cuántico y su no localización. A su juicio, la actividad cuántica en el interior de las neuronas señala un camino nuevo para descifrar el origen de la actividad mental a partir del cerebro. Parece demasiado, ¿no? Las cosas no son como parecen o como pueden creer  filósofos solemnes convencidos de haber llegado a "la esencia del ser". Lo que parece obvio se ha vuelto enigmático: ¿por qué nos hallamos ante un universo con su única historia objetiva -independiente de que la conozcamos o no- si se sabe que sus componentes mínimos trazan infinidad de historias que el observador parece dirigir desde el presente? ¿Por qué la localización de objetos y fenómenos si sus componentes mínimos no están localizados y actúan a distancia? ¿Acaso se puede tomar en serio que el observador está perturbando el pasado más remoto del universo -desde el Big-Bang- y modificando en una causalidad invertida lo que ya aconteció? ¿El lector desprevenido quiere otra ironía? Ahí va: sobre bases tan inciertas, sin embargo, "la teoría cuántica de campo constituye la teoría física más precisa que jamás haya existido" (R. Penrose).


Jorge Estrella - Doctor en Filosofía, ex profesor de Filosofía de la Ciencia de la Universidad de Chile

sábado, diciembre 11, 2010

Problemas insolubles

Por Pablo Capanna

La historia de la ciencia está hecha tanto de exitosos proyectos de investigación como de fantasías, callejones sin salida, frustraciones y hasta errores que pueden resultar fecundos.

Se diría que algo similar ocurre con la política, que necesita tanto del realismo y del utilitarismo como de esa dimensión utópica que le permite ser creativa.

En la historia de la ciencia no han faltado los falsos problemas y las cuestiones insolubles. Por lo menos sirvieron para que entendiéramos que no tenían solución o buscáramos otros caminos. Pero algunas de esas cuestiones, que pertenecen a una suerte de metafísica de la ciencia, vuelven a plantearse siempre, y la esperanza de resolverlas nunca muere.

DE LA GEOMETRIA A LA INMORTALIDAD

Los grandes problemas que se planteaba la ciencia en el mundo antiguo no eran aquellos que recién comenzarían a verse siglos más tarde. Las cuestiones que más intrigaban estaban en el campo de la geometría, o mejor dicho de los límites que se había autoimpuesto la geometría griega. Uno de ellos era la cuadratura del círculo: construir un cuadrado que tuviese la misma superficie que un círculo dado. La tradición quiso que se convirtiera en sinónimo de “problema sin solución”, y lo cargó de misteriosos sentidos. No menos insolubles eran la trisección del ángulo y la duplicación del cubo.

La condición era que todos estos problemas debían resolverse usando sólo regla y compás. Pero después de haber ocupado a algunas de las mejores mentes de la historia, recién en el siglo XX se pudo demostrar que no tenían solución con los medios gráficos.

La medicina griega tenía varios remedios de múltiple acción, como las panaceas de Quirón, Asclepios y Heracles. En el límite, soñó con la panacea universal, el remedio que curaría todas las enfermedades.

En el mundo de los alquimistas, la idea de la panacea universal se asoció con la búsqueda de la inmortalidad. Los alquimistas árabes convirtieron la panacea en elixir y su búsqueda se asoció con la piedra filosofal, que podía convertir los metales vulgares en oro. Ocurre que la inmortalidad y la riqueza son sueños hermanos, porque la una sin la otra pierde bastante de su atractivo.

“PERPETUUM MOBILE”

El elixir, la panacea o la piedra filosofal eran los sueños de la ciencia medieval; con el tiempo fueron olvidados, o acabaron refugiándose en las seudociencias.

Pero si hay un sueño moderno por excelencia (por lo menos así lo creía Spengler) se diría que es la máquina de movimiento perpetuo, que nació con la mecánica y se resiste a desaparecer. En su tiempo, Leonardo renegaba de los inventores de esas máquinas tanto como de los alquimistas. Homero Simpson, una autoridad hoy más respetada que Leonardo, también se puso firme el día que Lisa trajo una de esas maquinitas. Con tono admonitorio, le recordó: “¡En esta casa se respetan las leyes de la termodinámica!”.

Se podría creer que el movimiento perpetuo sólo sobrevive en el vals “Perpetuum mobile” de Johann Strauss. Pero, a pesar de que se suele decir que la Academia de Ciencias francesa dejó de aceptar trabajos de ese orden después que se enunciaron las leyes de la termodinámica, el hecho es que se han seguido otorgando patentes. Una de las últimas es de 2003 y fue concedida en Estados Unidos.

Por lo que sabemos, el único movimiento perpetuo posible sería el de un péndulo ideal, es decir uno que prescindiera del rozamiento. Aun en ese caso, sería perpetuo, pero jamás eterno porque, como cualquier objeto físico, estaría expuesto al desgaste. Y aunque pudiera vencer a la fricción, los péndulos se detienen en cuanto pretendemos que hagan algún trabajo.

Cualquier otra máquina requiere energía y está sujeta a las leyes de la termodinámica. Podríamos hablar de movimiento perpetuo si estuviéramos ante una máquina que no requiere de energía y al mismo tiempo produce trabajo, lo cual es casi como crear de la nada. Algunos imaginan máquinas que podrían producir más energía de la que consumen, violando la primera ley de la termodinámica. Otros no pretenden tanto, pero suponen que pueden evitar la entropía.

La mayoría de esas máquinas utilizan la fuerza de gravedad, como los viejos relojes de pesas. Las más comunes son apenas ruedas desbalanceadas para que la gravedad las ponga en movimiento, como aquella con un número impar de pesas que ideó en el siglo XIII el francés Villard de Honnecourt. Siglos antes, el indio Brahmagupta había propuesto hacer otra con rayos huecos que contenían mercurio.

Algunos, como el alquimista Robert Fludd y el químico Boyle, apelaron a la hidrostática. Fludd imaginó una rueda de palas que funcionaba gracias al agua que extraía una bomba que ella misma ponía en marcha. Boyle pensó que el agua que subía por capilaridad, goteaba sobre la rueda y podía llegar a moverla a perpetuidad.

Hubo quienes pensaron combinar magnetismo y gravedad, levantando una bola metálica con un electroimán y dejándola caer por gravedad. Otros recurrieron a la electricidad, a la fuerza mareomotriz, y la lista sigue...

ORFFYREUS

Si hay alguien en la historia de la ciencia (¿o de la seudociencia?) que se hizo famoso con el movimiento perpetuo sin duda es el alemán Orffyreus. De sus máquinas incansables se ocuparon personajes como Leibniz, Newton, Gravesande o Christian Wolff, y todavía hay quien le rinde homenaje.

Vivió entre 1680 y 1745, cuando culminaba la revolución científica y ya humeaban esas calderas que anunciaban la máquina a vapor. En su partida de nacimiento figuraba con el nombre de Johann Ernst Elias Bessler. Había adoptado el seudónimo “Orffyreus”, que resultaba de escribir todo el alfabeto en un círculo y reemplazar cada letra de “Bessler” por su opuesta.

No es mucho lo que se sabe de su vida, que parece haber sido turbulenta y por momentos trágica. Se dice que tenía muy mal carácter y marcados rasgos paranoicos. Se le atribuye una escasa formación teórica, pero también una extraordinaria inventiva. Fabricó relojes, inventó un carro automóvil que decía obtener energía de la gravedad, diseñó una fuente ornamental, un órgano programable y un barco movido por ingeniosos mecanismos de relojería. Con todo, fueron sus máquinas de movimiento perpetuo las que lo hicieron famoso.

La primera la exhibió en 1712 en Gera, en el antiguo principado de Reuss. Se trataba de una rueda de dos metros de diámetro, unida a un complicado sistema de palancas. Una vez puesta en movimiento no se detenía y parecía generar la fuerza suficiente para levantar algunas pesas. Era un bastidor revestido de lona, que ocultaba cierto mecanismo secreto que tenía en su eje. Su espesor (de 10 cm) hacía difícil que ocultara algo demasiado complejo.

Al año siguiente, Orffyreus exhibió otra rueda en Draschwitz, en las cercanías de Leipzig. Esta tenía 2,75 metros de diámetro y 15 cm de espesor, y levantaba unas piezas metálicas más pesadas. En estas circunstancias la vieron funcionar centenares de personas, y las autoridades convocaron a una comisión de doce expertos para que la estudiaran.

Los investigadores pudieron ver que si bien para arrancar la rueda alcanzaba con soltar la cuerda que la detenía, la máquina pronto ganaba velocidad y había que hacer un considerable esfuerzo para detenerla. Era capaz de levantar un hombre del suelo. Testigos calificados como Christian Wolff y el arquitecto Fischer dejaron constancia de que hacía mucho ruido al arrancar y era movida por ocho pesas, que pudieron examinar.

Como en esa época no existía el registro de patentes, Orffyreus ofrecía vender el secreto de su mecanismo por 100 mil táleros, unos 2 millones de dólares actuales.

La tercera y última máquina tuvo aún mayor difusión. Orffyreus la construyó en una cámara del castillo de Weissenstein que le cedió el Landgrave de Hesse-Cassel. Tenía 3,7 metros de diámetro y 36 cm de espesor. Ahora no sólo levantaba pesas sino que sacaba agua de una cuba mediante un tornillo de Arquímedes. La máquina fue puesta en marcha ante una comisión de notables (que no tuvieron acceso al mecanismo secreto) y el único acceso a la sala fue clausurado. A los quince días se rompieron los sellos, y la máquina seguía andando. Pasaron otros dos meses, cuando se volvió a abrir la sala, la máquina aún giraba a unas 25 rpm constantes.

Esta vez también desfilaron centenares de personas. Uno de ellos era el físico Gravesande, que mantenía correspondencia con Newton. Cuando intentó acceder al mecanismo oculto, el inventor montó en cólera y lo destruyó antes de permitir que lo viera.

Orffyreus murió a los 65 años, al caerse de un andamio mientras estaba construyendo un molino de cuatro pisos para el rey de Prusia.

YIRA, YIRA...

A todo esto, la rueda de Orffyreus se estaba pareciendo a un clásico tema policial, como el de ese crimen que ocurre en un cuarto herméticamente cerrado. Algunos sospechaban que hubiese un hombre escondido en la rueda, pero el espesor de la rueda no lo permitía. Otros han llegado a imaginar que el alemán, adelantándose a Volta, podía haber inventado algún tipo de batería eléctrica; una idea que apenas alcanza para un cuento de ciencia ficción. Más convincente es pensar que Orffyreus, que había fabricado relojes, hubiese escondido un resorte en alguna parte.

La segunda comisión emitió un informe favorable. Uno de los que habían observado funcionar la rueda durante horas había sido nada menos que Leibniz, el filósofo que junto a Newton creó el análisis matemático. Tras reivindicar a Orffyreus como su amigo, Leibniz no vacilaba en afirmar que allí “había algo extraordinario”. Muy positivo fue también el juicio del filósofo Christian Wolff, una de las figuras más influyentes del mundo académico de entonces, que hizo un detallado informe de sus observaciones. Para esos días, la Royal Society inglesa estaba reuniendo fondos para comprar la máquina, a pesar de las pretensiones monetarias del inventor.

Diez años después se volvió a abrir la cuestión, cuando una mujer que había trabajado como criada de Orffyreus se presentó ante la Justicia para denunciar que la máquina era movida desde otra habitación mediante un dispositivo manual. Según la mucama, el inventor, su mujer, su hijo y ella misma se habían turnado para moverla durante horas. ¿La máquina de Orffyreus era un ingenioso engaño, parecido a aquel famoso Turco mecánico que jugaba al ajedrez y acostumbraba ganarles a los mejores jugadores?

La comisión de expertos desestimó la denuncia. Entre ellos estaba Willem Jacobs Gravesande, el físico holandés a quien todos recuerdan por ese anillo que permite comprobar la dilatación de los metales. Gravesande era miembro de la Royal Society y en el informe que le mandó a su amigo Newton afirmaba: “Sé perfectamente bien que Orffyreus está loco, pero me niego a considerarlo un impostor”.

Aunque la Justicia tampoco hizo caso de la denuncia, la fama de Bessler quedó muy dañada. Desde entonces no se pudo demostrar si sus máquinas eran fraudulentas. Si realmente hubieran funcionado, entonces el problema sería más serio.

Por cierto, cuestiones como éstas no se resuelven en los tribunales mediante testigos juramentados sino en los laboratorios. Pero el enigma se mantiene.


DIAGRAMA DE UNA “MAQUINA DE MOVIMIENTO PERPETUO” DE ORFFYREUS.


jueves, noviembre 18, 2010

Obsesión de físicos: científicos atraparon la antimateria

Un átomo de hidrógeno está formado por un protón positivo y un electrón negativo. Un átomo de antihidrógeno está constituido por un protón negativo (antiprotón) y un electrón positivo o positrón. El físico inglés Paul Dirac había predicho desde 1931 la existencia de la antimateria, una materia “espejo” de la que conocemos, pero sigue siendo difícil de observar, ya que todo átomo de antimateria se aniquila en contacto con la materia, produciendo una enorme cantidad de energía. Materia y antimateria habrían sido creadas en cantidades iguales en los instantes que siguieron al Big Bang, pero sólo nos queda la materia. ¿A dónde se fue la antimateria? Es una de las preguntas que obsesionan a los físicos. Algunos de ellos se preguntan incluso si la antimateria tendría una antigravedad, si en lugar de atraerse, dos átomos de antimateria se rechazarían. Descubrir una gravedad repulsiva podría aportar una respuesta a otro enigma: el de la energía desconocida que favorece la aceleración de la expansión del Universo. Los primeros átomos de antihidrógeno fueron producidos en el CERN en 1995, pero se aniquilaron casi instantáneamente en contacto con la materia, sin que sus propiedades hubiesen podido ser estudiadas. En el marco del nuevo experimento Alpha del CERN, publicado ayer en el sitio web de la revista científica británica Nature, 38 átomos de antihidrógeno fueron capturados durante una décima de segundo, “lo suficiente como para estudiarlos”, según el CERN. Los investigadores debieron utilizar 10 millones de antiprotones y muchos más positrones durante las 355 tentativas para lograr producir y capturar 38 átomos de antihidrógeno ultrafríos. Para confinar esas partículas neutras, fue necesario crear un nuevo tipo de trampa magnética. “La naturaleza eliminó la antimateria. Es entonces muy gratificante y un poco emocionante mirar el aparato Alpha y saber que contiene átomos estables y neutros de antimateria”, se congratuló Jeffrey Hangst (Universidad de Aarhus, Dinamarca), en nombre de los participantes en esos experimentos.

lunes, noviembre 15, 2010

Gravedad y QED

La introducción de la gravedad hace que se puedan realizar ciertos cálculos en electrodinámica cuántica y nos proporciona pistas sobre unificación y gravedad cuántica.

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Un trabajo teórico proporciona pistas sobre el papel que puede tener la gravedad en una teoría cuántica de campos.
Las fuerzas conocidas son el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y la gravedad. La primera controla la química, nuestros aparatos eléctricos y electrónicos, la segunda los procesos de desintegración y la tercera es la responsable de evitar que los núcleos atómicos se disgreguen por la repulsión electrostática provocada por la primera. La última mantiene la integridad de planetas, sistemas solares, galaxias y todo el Universo.
Pasaron muchas décadas desde que se descubrió la Mecánica Cuántica (MC) hasta que se pudieron crear teorías cuánticas que describieran algunas de estas interacciones, son las teorías cuánticas de campos. Una de ellas es la electrodinámica cuántica (QED), que describe las interacciones entre fotones y partículas cargadas como los electrones. Permite ver cómo se aniquilan un electrón y un positrón y cómo producen un fotón en el proceso. Este marco teórico permite tener en cuenta, por ejemplo, las fluctuaciones del vacío y cómo estas fluctuaciones (aparición espontánea de partículas virtuales durante el breve periodo de tiempo permitido por el principio de incertidumbre) afectan a las demás partículas. Así por ejemplo la fuerza electrostática se puede ver como un intercambio de fotones virtuales entre dos cargas. Los fotones, en este caso, serían los bosones (partículas de spin entero) responsables de la fuerza electromagnética.
También tenemos la cromodinámica cuántica (QCD), que explica en términos similares a los anteriormente descritos, las interacciones de los quarks (¿cuarks?), que son los componentes de los bariones (combinaciones de tres quarks como los protones y neutrones) y los mesones (combinaciones de dos quarks). En definitiva describe la interacción fuerte. Los quarks se mantendrían unidos entre sí gracias al intercambio de gluones, que serían los bosones portadores de la fuerza fuerte.
Tanto en un caso como en otro, los cálculos son difíciles y algunas veces es necesario el uso de computadores, como en la QCD. Además, en este tipo de teorías aparecen infinitos que hay que eliminar para que la física tenga un sentido. Para ello se utilizan diversas técnicas, como la renormalización.
Pero a los físicos les gusta tener un marco teórico que explique las cosas de una manera unificada. De este modo se consiguió unir la interacción electromagnética y la débil en una sola teoría. A altas energías no se tendrían estos dos tipos de interacción sino sólo una: la interacción electrodébil. Esta unificación fue exitosa y disponemos de buenos resultados experimentales que la corroboran.
El siguiente salto sería una unificación que uniera la electrodébil y la fuerza fuerte. Aunque hay algunos modelos teóricos que predicen cómo se podría dar esto, estamos a la espera de que los datos del LHC nos indiquen por dónde va la cosa. Si se consiguiera demostrar la supersimetría, por ejemplo, sería bueno en este sentido. Recordemos que la supersimetría es una idea independiente de las teorías de cuerdas, algo que éstas necesitan, pero que no predicen.
Si todo esto finalmente se confirma habría una energía más allá de la cual sólo habría una fuerza que daría cuenta de la interacción débil, fuerte y electromagnética. Esta energía se habría alcanzado una fracción de segundo después del Big Bang y se correspondería a un estado físico bastante sencillo.
Pero hemos dejado de lado en esta descripción a la gravedad. Pese a todos los esfuerzos y trabajo invertido en ello, la fuerza de la gravedad se escapa a ser descrita cuánticamente. No tenemos una teoría cuántica de la gravedad. Tampoco tenemos una manera de unir esta interacción con las demás en una teoría unificada que las describa a todas. Cuando se considera la fuerza de la gravedad entre partículas se ve que es muy débil a distancias normales pero se torna muy fuerte a distancias muy cortas, tan fuerte que no se puede incluir en una teoría cuántica sin que aparezcan infinitos y otros problemas.
Uno de los esfuerzos teóricos que más recursos e intelectualidad se ha tragado ha sido las teorías de cuerdas que pretenden precisamente hacer esto mismo. Después de 30 años se ha convertido poco más o menos que en una religión incapaz de predecir nada comprobable experimentalmente.
Por eso, cualquier pista o indicio que nos hable del papel de la gravedad a nivel cuántico es bien recibido, aunque no represente una teoría cuántica de la gravedad bien definida.
Esta es la razón por la cual a David Toms, de Newcastle University, le han publicado recientemente un trabajo sobre este tema en Nature, pese a que esta revista no suele publicar estudios “exóticos” de este tipo.
Toms ha encontrado que la introducción de la gravedad en la QED facilita los cálculos a alta energía. Es de los pocos casos teóricos en los que la introducción en Mecánica Cuántica de la interacción gravitatoria se hace armoniosamente sin que aparezcan infinitos y hace, en definitiva, que los cálculos sean más manejables.
Sin embargo, no lancemos las campanas al vuelo. Una teoría totalmente unificada está todavía igual de lejos que hace un par de semana. Incluso la gravedad en este esquema sigue siendo no cuantizable e incontrolable teóricamente. Además, otros teóricos dicen que todavía es pronto para decir nada y que hay que consolidar estas nuevas ideas.
Un problema de la QED que aparece en la descripción de la interacción entre partículas cargadas (electrones por ejemplo) y fotones, es que esta interacción aumenta sin cesar a altas energías. Esto es el resultado de la polarización del vacío. La carga del electrón no es la carga “desnuda” del electrón, sino que es la carga desnuda del electrón apantallada por todas las partículas virtuales que aparecen alrededor de él. A altas energías, es decir a distancias cortas, este efecto de apantallamiento disminuye y la carga efectiva aumenta hasta límites que teóricamente no son fáciles de manejar y la teoría se transforma en inútil.
Uno esperaría lo contrario, como ocurre en la fuerza fuerte, en donde la fuerza tiende a cero a altas energías. Es lo que se llama libertad asintótica, algo por lo que Frank Wilczek, David Gross y David Politzer recibieron el Nobel hace poco. La constante de acoplamiento g de la QCD decrece con la energía y la interacción entre quarks se vuelve más débil a distancias cortas.
Uno esperaría que la unificación de fuerza débil, fuerte y electromagnética fuera también asintóticamente libre a altas energías. A cierto nivel de energía los valores de todas las constantes de acoplamiento convergerían a un solo valor fijo.
Toms ha descubierto una manera de evitar el problema de la QED. Introduciendo la gravedad en el esquema consigue ir más allá en los cálculos y que los valores no se disparen a altas energías. Básicamente permite que ciertos cálculos sean más manejables.
Si se pudiera probar que la gravedad cuántica hace que la QED sea asintóticamente libre entonces la QED sería una teoría viable por sí misma. Según los cálculos de Toms, la introducción de la gravedad hace que la interacción entre electrones y fotones sea prácticamente nula a altas energías (1015–1019 GeV). Este debilitamiento permitiría a los físicos teóricos calcular el comportamiento de los electrones a muy altas energías.
Según Toms esto querría decir, físicamente, que la carga eléctrica se ve afectada por la gravedad. A largas distancias no pasa nada y el comportamiento es el mismo que el que aparece en los libros de texto de bachillerato. Pero a distancias cortas, la carga se debilita gracias a la gravedad, pues aunque las masas de las partículas implicadas sean pequeñas no es despreciable a distancias cortas. Este resultado es inesperado porque en ausencia de gravedad esta carga se dispararía al infinito.
Hay todavía mucho trabajo por hacer y este estudio sólo proporciona unas pistas que seguir. La gravedad en sí misma sigue siendo incontrolablemente fuerte a altas energías. Toms introduce la gravedad mediante la cuantización de la Relatividad General y este esquema de gravedad deja de funcionar a las energías en las que se espera que ocurra una unificación total.
Todavía no se sabe seguro si el método es aplicable a otras interacciones. Quizás en esos casos el método falle por algún lado, aunque ahora parece que no es así. Según Toms se obtendrían resultados similares para cualquier teoría de Yang-Mills. Por lo tanto, la escala de energías a la que se daría la unificación de la gravedad y de las demás interacciones fundamentales se produciría a menor escala que la escala de Planck. Incluso con mucha suerte esta unificación se podría alcanzar con futuros aceleradores.
Si éste fuera un método universal, aplicable en todos los casos estaríamos, sin duda, en posesión de una herramienta teórica poderosa.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3295

Fuentes y referencias:

domingo, noviembre 14, 2010

Burbujas gigantes de energía en la Vía Láctea

Dos burbujas de energía captadas por el telescopio Fermi en la Vía Láctea. | Nasa -   Nasa Agencia

Dos burbujas de energía captadas por el telescopio Fermi en la Vía Láctea. | Nasa - Nasa Agencia

Madrid | Elmundo.es

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi, de la NASA, ha revelado una extraña estructura que nunca antes se había observado en nuestra galaxia. Se trata de dos burbujas cargadas de energía que erupcionan en el centro de la Vía Láctea y que contienen energía equivalente a 100.000 explosiones de supernovas, según publican en “The Astrophysical Journal”.

"Lo que vemos son dos burbujas que emiten rayos gamma y que se extienden a lo largo de 25.000 años luz cada una, de norte y sur, en el centro galáctico", dice el astrónomo Doug Finkbeiner, del centro Smithsonian (Universidad de Harvard). Finkbeiner reconoce que aún no se entiende bien el origen y la naturaleza de este fenómeno de tan grandes dimensiones.

La estructura atraviesa más de la mitad del cielo visible, desde la constelación de Virgo a la de Grus y puede tener millones de años.

Finkbeiner y su equipo descubrieron las burbujas cuando procesaban los datos enviados por el detector LAT del telescopio, que es el más sensible a los rayos gamma que se ha lanzado hasta ahora. Los rayos gamma son una radiación electromagnética de altísima energía, pero hasta ahora otros astrónomos no habían observado ambas concentraciones debido a la niebla que genera esta radiación en la galaxia y que le da su aspecto lechoso.

Niebla en la Vía Láctea

Realizando varias estimaciones de esta niebla, Finkbeiner y sus colegas lograron aislar los datos y revelar las burbujas gigantescas. Los científicos tratan ahora de entender cómo se formaron sus estructuras, que parecen tener bordes muy definidos.

Por su forma, podrían ser el resultado de un lanzamiento grande y rápido de energía de una fuente que aún es un misterio.
Una posibilidad podría ser una inyección desde un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia.

domingo, noviembre 07, 2010

Científico holandés postula que la gravedad sería una ilusión

Desde hace mucho tiempo, los físicos saben que la gravedad es una ley física muy extraña. La gravedad no parece relacionarse bien con otras fuerzas básicas de interacción, como las fuerzas electromagnéticas o nucleares. Un científico holandés afirma conocer la razón que explicaría esta particularidad: la gravedad no sería una fuerza fundamental de interacción, sino que derivaría de otra más fundamental de mayor potencia.

El Dr. Eric Verlinde, de 48 años, respetado físico teórico en teoría de cuerdas y profesor de física en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Amsterdam, propuso una nueva teoría de la gravedad, según informó el 12 de julio pasado el periódico New York Times. En el reciente informe titulado "Sobre el origen de la gravedad y las Leyes de Newton”, argumenta que la gravedad es una consecuencia de las leyes de la termodinámica. Yendo contra la lógica de más de 300 años de ciencia, él propone que la gravedad es una ilusión que ha causado confusión continua entre los físicos, o por lo menos entre aquellos que profesan entenderlo.

En su informe afirma: “Para mí, la gravedad no existe”. Eso no significa que el Dr. Verlinde no se caiga por no estar sujeto a las leyes de la gravedad, pero junto con otros físicos, piensa que la ciencia ha estado viendo la gravedad de una manera equivocada y que hay algo más básico de lo cual la gravedad “surge”; del mismo modo en que los mercados de valores surgen debido al comportamiento colectivo de inversionistas individuales o cómo la elasticidad surge de la mecánica entre los átomos.

En el núcleo de su teoría la falta de orden en los sistemas físicos juega un papel relevante. Su argumento se basa en el comportamiento del universo. Para explicarlo con un ejemplo recurre a lo que se podría llamar “un día de cabello rebelde” en la teoría de la gravedad. Dice así: si su cabello se riza con el calor y la humedad es porque también existen muchos otros modos para que el pelo que está rizado se haga lacio, a la naturaleza le gustan las opciones. Entonces, lo que se necesita para alizar el cabello es una fuerza que tire del pelo haciéndolo lacio eliminando las otras opciones de la naturaleza. Olvídese del espacio curvo o la espeluznante atracción a distancia descrita por las ecuaciones de Isaac Newton. El Dr. Verlinde postula que la fuerza que llamamos gravedad es simplemente un subproducto de la propensión de la naturaleza a máximizar el desorden.

La teoría del profesor Verlinde postula que la gravedad es esencialmente una fuerza entrópica. Un objeto moviéndose alrededor de otros objetos pequeños cambiaría el desorden que los rodea y la gravedad se haría sentir. Basado en esta idea de la teoría holográfica, él afirma que puede derivar la segunda ley de la mecánica de Newton. Además, su teoría sobre la física de la masa inercial presenta un nuevo enfoque al viejo concepto.

La investigación sobre el universo en la ciencia moderna esta esencialmente basada en la teoría de la gravedad. Si la gravedad no existiera, entonces nuestra comprensión de las galaxias y la estructura del universo podrían estar equivocadas. Esto puede ser la causa por la que los astrónomos a menudo encuentran difícil explicar el movimiento gravitacional de los cuerpos celestes distantes y tienen que introducir conceptos extraños ad hoc como el de “materia oscura” para ayudar a equilibrar las ecuaciones.

Una nueva teoría de la gravedad podría arrojar luz sobre algunas de las desconcertantes cuestiones cósmicas con las cuales los físicos se encuentran, como la energía oscura, una especie de antigravedad que parece estar acelerando la expansión del universo, o que la materia oscura es supuestamente necesaria para mantener unidas a las galaxias.

“Hemos sabido durante mucho tiempo que la gravedad no existe”, dice el Dr. Verlinde, “Ahora es el momento de gritarlo en voz alta”.

Fuente