FÍSICA CUÁNTICA IV: MULTIUNIVERSALIDAD

SUPERSIMETRÍA Y GRAVITÓN

Antonio Campillo Ruiz

   Calmar el caos. Admitir que el espacio y el tiempo son mucho más complejos que su comparación con una cinta numerada o un reloj. Este era el desafío de las hipótesis iniciales sobre la teoría de cuerdas. ¿Por qué? Bien, el espacio podría ser comparado a una membrana, en las dimensiones enormemente pequeñas, que puede sufrir roturas. Esta peculiaridad nos conduciría a dos posibles efectos muy diferentes: a la formación de un agujero de gusano o a una destrucción total del espacio dañado. Cuando se descubrieron los agujeros de gusano, nuevas direcciones del espacio capaces de poder rasgar el tejido espacial en un punto, para poder unirlo a otro que se  encuentra a distancias cercanas o interestelares, se supuso que estas roturas no podrían tener existencia sin suturar inmediatamente la rasgadura provocada. Por tanto, no era posible que el espacio se pudiese romper. En esta dualidad se mantuvieron defensores y detractores de las cuerdas hasta que, precisamente, su existencia podía favorecer que el tejido espacial se autorreconstruyese: Las cuerdas pueden formar, en su caóticamente ordenado movimiento, tubos que englobarían las rasgaduras espaciales y volverían a su estado inicial las roturas provocadas.

   El espacio y su posible transformación explicaría el problema, bastante incomprendido e irresoluble para muchos científicos, de la multiuniversalidad. La existencia de múltiples Universos paralelos al nuestro, concebible y donde nos encontramos. La naturaleza de nuestro Universo no implica la inexistencia de múltiples espacios paralelos que no podemos ni apreciar ni asemejar al nuestro. No se trata de la existencia de miles de millones de Universos diferentes, sino de múltiples dimensiones que, con las nuevas teorías se unifican en una única. El reflejo de ésta en unos teóricos espejos, posee imágenes idénticas porque todas las dimensiones no son nada más que diferentes enfoques de idéntica existencia. Así, las cuerdas, desde las distintas imágenes de una sola teoría pueden corregir y formar tejidos espaciales. Resuelta la hipótesis de las cuerdas, la armonía de su vibración supondría conocer la simplicidad de los Universos paralelos. Es la Teoría del Todo, La teoría M, aunque no se sabe muy bien qué significa la letra M: ¿misteriosa, mágica, matriz?

   Aparentemente el grave problema de la multidimensionalidad estaba resuelto pero, antes de la teoría M, la explicación de las cuerdas precisaba de la existencia de diez, ¡diez!, dimensiones: una para el tiempo, tres par el espacio conocido y seis para la existencia cuántica de la cuerda. Tras la teoría M que, aparentemente, unificaba en una sola dimensión todos los posibles enfoques de la teoría, el problema fue que, para su explicación, se necesitaba una nueva dimensión. Así pues la existencia de ¡once dimensiones! tomó cuerpo y, por supuesto, los espacios/tiempos paralelos y los Universos multidimensionales.

   La explicación de la aparente debilidad de la fuerza de gravedad frente al resto de fuerzas de la materia, se deduce mediante las cuerdas y la posibilidad de que éstas sean cerradas y, por tanto, puedan escapar fácilmente desde nuestro Universo a las dimensiones paralelas de Universos próximos. Las cuerdas que estuviesen ligadas a la gravedad, conformarían una membrana que podría llegar a ser tan inmensa como todo el Universo conocido. Esta es la ampliación de la actual teoría de cuerdas. Si es así, no podríamos tocar jamás dicha membrana en otra dimensión pero sí notaríamos su presencia y posibles consecuencias. El gravitón es la clave. Si  dos membranas formadas por cuerdas, una de ellas encerrando a nuestro Universo, y la otra, cercana pero en la que también existe vida inteligente, pretendiesen ponerse en contacto, sólo podrían hacerlo mediante las consecuencias de la gravedad, porque su debilidad se basa en la posibilidad de poder salir de su dimensión y alcanzar otra perdiendo fortaleza. Nunca podríamos comunicarnos con la otra membrana dimensional excepto con la presencia del gravitón.

   A pesar de no saber con exactitud lo que sucede cuando dos membranas de cuerdas chocan, las nuevas teorías del Big-Bang, derivada del choque entre membranas conteniendo una de ellas nuestro Universo y la otra un Universo paralelo, pueden provocar una expansión energética de inmensas dimensiones, no del inicio del todo, sino de la repetición energética derivada de ese potente choque. Encontrar las partículas S, la supersimetría, y el gravitón, en los enormes aceleradores de partículas Fermilab y Cern, será fundamental para probar la veracidad de teorías que, hasta el momento actual, son hipótesis no experimentadas.  

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FÍSICA CUÁNTICA III

DIMENSIONES Y REALIDAD

Antonio Campillo Ruiz

   Imaginemos que podemos controlar el espacio, el tiempo o ambos. Trasladarnos de un lugar a otro en un tiempo instantáneo es una posibilidad que desde hace años parecía de ciencia ficción. En realidad, en las últimas décadas la concepción del espacio ha cambiado mediante el desarrollo de unos pequeños hilos que conforman toda la materia del Cosmos: las supercuerdas. Estos diminutos hilos unidimensionales, enrollados formando circunferencias… ¡Ah! Un momento. Si son circunferencias, poseen dos dimensiones, ¿no? No. Son unidimensionales pero pueden generar tubos y forman el espacio conocido, desde lo infinitamente grande hasta las proporciones subatómicas. En ellas es donde nos resulta más fácil comprender las peculiaridades de estas unitarias partículas.

    Si pudiésemos observar la millonésima parte de una billonésima de una millonésima de la punta de nuestra nariz, comprobaríamos que en ese punto tan infinitesimal el espacio es caótico y, probablemente, que se transforma y rasga continuamente, es decir, lo contrario de la teoría de la relatividad de Einstein que explicaba que el tejido espacial jamás se puede romper. Y así es, si el tejido espacial se rompiese, se produciría una inmensa catástrofe. ¿Qué hace posible que en lo infinitesimal las roturas del tejido espacial se puedan reparar? Una supercuerda. Al desplazarse por el espacio, puede formar un tubo y este tubo puede crear una fuerza que reparará los desperfectos.

   La complejidad del espacio en el Universo es mucho mayor de lo que se puede expresar en un tratado de Física clásica. La existencia de dimensiones desconocidas para quienes, como el hombre, sólo conocen tres de ellas es todo un reto para la explicación de fenómenos físicos en la actualidad. Si a ello añadimos el tiempo como dimensión adicional e inseparable del espacio cuando actúa como referencia de fenómenos físicos, el problema sólo es resoluble mediante explicaciones que plantean posiciones espaciales y momentos temporales íntimamente relacionados.

  

   Con una claridad inimaginable un ser humano puede explicar con facilidad las vivencias del futuro que pasó. Si sus partículas subatómicas han experimentado hechos que sucedieron y con el transcurrir de un tiempo infinitesimal se encuentran en otro lugar, dichas partículas volverán a experimentar un presente que fue futuro y, por tanto, ya es pasado en este nuevo estado. Este juego espaciotemporal de una inmaterialidad que se opone a la racionalidad sólo es explicable gracias a la multidimensionalidad. Las dimensiones que en la actualidad podemos comprender son tres espaciales y una temporal. Pues bien, la existencia de otras dimensiones proporcionaría una comprensión inmediata a los hechos que se producen en la materia porque, si por ejemplo estuviésemos en un sistema con siete dimensiones, una partícula se podría encontrar en dos lugares lejanos a la vez según nuestra concepción tridimensional del espacio. ¿Qué nos sucede? Pues la imposibilidad de poder vislumbrar la séptima dimensión espacial porque sólo concebimos tres. 

Teseracto y Haxadecacoron (abajo). 

Formas tetradimensionales representadas tridimensionalmente 

en un espacio bidimensional. Por supuesto, las imaginamos muy mal.

Pase el puntero por las imagenes si no poseen movimiento.

   Esto nos lleva a tratar de explicar en un sistema de tres dimensiones espaciales  las siete en las que se encuentra la partícula, obteniendo un resultado nulo o aparentemente irracional. Un sencillo ejemplo nos lo aclara: pintemos un rectángulo en un papel. Posee dos dimensiones, ancho y largo pero el rectángulo es incapaz de poder apreciar la dimensión alto, por tanto no puede ver el lápiz que lo dibuja, apreciará sólo parte de la punta que se encuentre en contacto con el papel: dos dimensiones. Este es nuestro problema, sólo apreciamos tres dimensiones espaciales y tratamos de explicar con ellas la simultaneidad, el entrelazamiento y la superposición. Como no es posible, aparece la Filosofía de la Física Cuántica que, por medio de razonamientos y no experiencias, demuestra que las supercuerdas se encuentran en un espacio/tiempo con once dimensiones. Un concepto demasiado heterodoxo para la Física clásica.

   Esta dualidad temporal no se refleja con la claridad que sería necesaria ya que nuestra concepción del tiempo físico común siempre la definimos como unidimensional y unidireccional. Los sucesos del pasado apreciados en el presente ya son inteligibles, incluso en los fenómenos físicos tradicionales, mediante la comprobación tácita de vivir en nuestro presente sucesos ocurridos hace miles de años, como es el ejemplo de estrellas o galaxias desaparecidas en nuestro pasado, siendo vislumbrado tal fenómeno en la actualidad. Un día, no lejano, seremos capaces de “arrugar el espacio” para conseguir viajar a velocidades superiores a la luz. Y, ¿para qué tanta velocidad? No se trata de conseguir un premio de velocidad, se trata de “acercar el espacio/tiempo futuro”, aquel que se encuentra más lejos al presente. De esta forma podríasmos alcanzar el futuro más rápido, más velozmente que la luz. Llegaremos al futuro en el presente. El siguiente paso será llegar al futuro en el pasado.

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FÍSICA CUÁNTICA II

MARAVILLOSAS SUPERCUERDAS

Antonio Campillo Ruiz

   Supongamos que mantenemos un electrón en la mano izquierda y otro en la derecha. Son dos partículas de idéntica masa y carga eléctrica. Si tratamos de acercarlas poco a poco es evidente que  su atracción gravitatoria mutua favorecerá tal acercamiento, mientras que su fuerza de repulsión electromagnética intentará separarlas. Nuestra pregunta inmediata será: ¿cuál de las dos fuerzas es más intensa? No hay discusión posible, la fuerza electromagnética es un millón de billones de billones de billones, 10⁴², un septillón, de veces más fuerte que la gravedad. Esta asombrosa e inimaginable fuerza posee asociada a ella, como todas, una unidad mínima, haz o paquete, que puede formar la fuerza. Los constituyentes unitarios, más pequeños, de cada una de las fuerzas son:

FUERZA	PARTÍCULA UNITARIA DE FUERZA	MASA
NUCLEAR FUERTE	GLUÓN	0
ELECTROMAGNÉTICA	FOTÓN	0
NUCLEAR DÉBIL	BOSONES GAUGE	86,97
GRAVEDAD	GRAVITONES	0

   Estas son las cuatro fuerzas de la Naturaleza, sus partículas asociadas y sus masas expresadas en múltiplos de la masa del protón. ¿Por qué son cuatro las fuerzas fundamentales? ¿Por qué no cinco, o tres, o sólo una? ¿Por qué las fuerzas llamadas nuclear fuerte y nuclear débil se limitan a operar a escalas microscópicas, mientras la fuerza de la gravedad y la electromagnética tienen un alcance ilimitado en su influencia? ¿Por qué existe una gama enorme en cuanto a la intensidad intrínseca de estas fuerzas? La respuesta a esta última pregunta ya la hemos explicado con la experiencia de los dos electrones. Veamos otro ejemplo. Los protones que se apiñan en el núcleo todos poseen la misma carga y según hemos visto, su repulsión debería ser inmensa, ¿cómo es posible que se encuentren todos juntos? Bien, la fuerza nuclear fuerte que actúa sobre los quarks que, a su vez, forman los protones, afortunadamente, logra vencer esta repulsión y ata a los protones fuertemente. La fuerza nuclear fuerte es cien veces más potente que la electromagnética y cien mil veces más fuerte que la nuclear débil. Así que, sin la existencia de estas fuerzas compensadoras, los átomos de los elementos de la tabla periódica, los que existen en el Universo, no podrían permanecer en el equilibrio que supone compartir un átomo formado por electrones y protones ya que si una sola de las fuerzas variase o no existiese, electrones y protones se unirían para convertirse en neutrones, no teniendo existencia el Cosmos como lo conocemos. Sería otro modelo. Aquel, en el que el Hidrógeno, combustible del motor estelar no tendría existencia como átomo con un solo protón y un solo electrón.

   En 1968, un científico que estudiaba y experimentaba con estas nuevas teorías, Gabriele Veneziano, encontró en un viejo libro una ecuación de doscientos años de antigüedad perteneciente a un matemático suizo, Leonhard Euler, que parecía explicar precisamente todos los aspectos teóricos de la teoría de supercuerdas. Veneziano siempre se enfada cuando se lo recuerdan porque según él, tal anécdota no es cierta. A lo largo de un año de trabajo, de dura investigación, llegó, por casualidad, a la ecuación que explicaba la teoría que había suscitado tantas controversias: precisamente la ecuación de Euler. Así pues una ecuación matemática planteada hacía doscientos años era la que empezaba a dar crédito a una teoría en la que unas cuerdas se encontraban en no menos de seis dimensiones y en cada una de sus vibraciones generaban aspectos esenciales de la Física de lo enormemente pequeño.

   Lo fundamental es la unificación de todas las fuerzas en una única teoría que se cumpla para todas a la vez. Esta unificación posee su origen y fin en la teoría de las supercuerdas. La explicación concreta de por qué eligió la Naturaleza las cuatro fuerzas pasa por la explicación y desarrollo de las supercuerdas, partículas fundamentales unitarias unidimensionales. Según la teoría de supercuerdas (o simplemente cuerdas), las propiedades de una partícula elemental, su masa y sus distintas cargas de fuerza, están determinadas por el modelo resonante exacto de vibración que ejecuta su cuerda interna. Más exactamente: los diferentes modelos vibratorios de una cuerda fundamental dan lugar a diferentes masas y cargas de fuerza.

   Así, esta maravilla en perfecto movimiento vibratorio es capaz de conformar todo lo conocido y establecer las leyes que rigen, separadamente todavía, nuestro Cosmos. Desde ahora, deberíamos explicar que ya no sería correcto hablar de partículas elementales sino de trozos diminutos de cuerdas que están vibrando. Su tamaño es, precisamente, 10⁴² veces más pequeño que un metro y su armoniosa vibración explicaría la unidad fundamental unitaria que demostraría la unificación: el gravitón. Cuando se asegure su existencia, posiblemente, la  Física Cuántica y la Teoría de la Relatividad poseerán ecuaciones unificadas.

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FÍSICA CUÁNTICA I

FÍSICA Y CREATIVIDAD: PARTÍCULAS

Antonio Campillo Ruiz

              “Gravitation is not responsible                   “Sin ciencia, el amor es impotente;

                for people falling in love”.                         sin amor, la ciencia es destructiva”.

                               Albert Einstein                                                         Beltrand Russell

   Los cimientos históricos de la física moderna se han construido con dos tipos de materiales y con irascible enfrentamiento entre ambos, aunque los dos sean ciertos pero separadamente. Por fortuna, esta superada enemistad ha llegado a su fin y fue creada por tres conflictos. El primero de ellos se refiere a la desconcertante propiedad del movimiento de la luz, descubierto nada menos que en el siglo XIX. La diferente interpretación de Isaac Newton, que aseguraba que, si alguien era capaz de correr tan veloz como la luz, podría ir paralelo a un rayo de ella, y la de James Clerk Maxwell que defendía que tal hecho era imposible, fue resuelta por Albert Einstein y su teoría especial de la relatividad, haciendo que nuestro entendimiento del espacio y el tiempo cambiase. El segundo llegó de la mano de una de las conclusiones de Einstein, que exponía que ningún objeto podía viajar a más velocidad que lo hace la luz (300.000 km/seg). Esta conclusión ocasionaba una grave distorsión en la teoría de la gravedad de Newton y su perfecto funcionamiento experimental, de modo que Einstein volvió a resolver el conflicto en su teoría de la relatividad general de 1915, en la que enunciaba un nuevo concepto de gravedad. Esta nueva teoría llevó al tercer conflicto, el más importante y trascendental en este momento: la relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles. Ambas son ciertas independientemente pero no a la vez. Y este sí que es un verdadero conflicto porque los grandes avances en la investigación de la materia que se han realizado en los últimos cincuenta años, el estudio de lo enormemente pequeño, no se aviene con el estudio de lo enormemente grande.

   Durante tres décadas Einstein buscó incansablemente la teoría unificadora de la Física, una teoría que fuese capaz de tejer con los dos tipos de hilos, el de la relatividad y el de la mecánica cuántica, una tela bordada por la belleza y delicadeza de las dos teorías. No lo consiguió. No tenía ni los avances técnicos que existen en este momento ni los medios para aproximar el bello y ordenado caos de las partículas subatómicas a las majestuosas galaxias y cúmulos estelares.

   En la década de 1930 Thomson, Rutherford, Bohr, Chadwick, y otros investigadores, establecieron la estructura del átomo como un sistema solar en el que el núcleo semejaba un sol con sus planetas, los electrones, que orbitaban sin cesar a su alrededor. Este modelo, que no se asemeja a la realidad de la estructura de la materia, se sigue reproduciendo y estudiando en los libros de texto actuales. En 1968, gracias a las experiencias con aceleradores de partículas, se descubrió que los protones y neutrones, partículas inicialmente tratadas como fundamentales componentes del núcleo, no eran tales ya que estaban constituidas por otras más pequeñas y Murray Gell-Mann, que ya las había intuido con anterioridad, las denominó quarks.

   Así, el quarks existe en dos variedades: "arriba" ("up") y "abajo" ("down"). Un protón está formado por dos "up" y un "down" y un neutrón por dos "down" y un "up". A principio de la década de 1930 Wolfgang Pauli predijo la existencia de una tercera partícula en el núcleo, el neutrino, la "partícula fantasma" por su difícil interacción con otras y por ser rara de ver, si bien confirmada en 1950 por Frederick Reines y Clyde Cowan. Utilizando experimentos con tecnología cada vez más poderosa, cuatro nuevos quarks: "encanto" ("charm"), "extraño" ("strange"), "fondo" ("bottom"), "cima" ("top"), y un pariente más pesado del electrón, "tau", se añadieron a la larga lista de partículas subatómicas encontradas.

   Desde este momento histórico la Física cuántica brilló con una espléndida luz propia y se iniciaron descubrimientos científicos tan sugerentes e importantes que la estructura íntima de la materia, lo enormemente pequeño con su caos desenfrenado, ayudó a entender hechos que jamás habrían podido ser soñados por quien provocó este torrente de descubrimientos: Albert Einstein.

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EL FUTURO QUE PASÓ

LA REALIDAD INCIERTA

Antonio Campillo Ruiz

                                                                                                             A Marisa

     

            “Las unidades de información

             son lo que crea la realidad,

             no las unidades de materia

             ni de energía”.

              Vlatko Vedral

“La escala más pequeña del universo – la que se rige por las leyes de la física cuántica – parece un desafío al sentido común. Los objetos subatómicos pueden estar en más de un sitio a la vez, dos partículas en extremos opuestos de una galaxia pueden compartir información instantáneamente, y el mero hecho de observar un fenómeno cuántico puede modificarlo radicalmente”.

Entrelazados

   Einstein no quería llamarlo por su nombre. Llamaba “telepatía cuántica” al entrelazamiento y “acción fantasmal a distancia” a la relación entre partículas que ocupan dos lugares a la vez. Posiblemente tenía razón. Él, que fue quien estableció teorías que han incrementado exponencialmente los estudios de la Física cuántica, no estaba satisfecho al admitir tan complejos fenómenos. Que exista la superposición, que la medida realizada sobre las características de un objeto cuántico varíe el estado del mismo, que el mero hecho de observar un fenómeno lo modifique, etc., son unos importantes y reales desafíos al sentido común.

Newton y Einstein

Superposición

   Y así es porque, con una claridad inimaginable, un ser humano puede explicar con facilidad las vivencias del futuro que pasó. Si sus partículas subatómicas han experimentado hechos que sucedieron y con el transcurrir de un tiempo infinitesimal se encuentran en otro lugar de la inmaterial materia, cuando consideremos a ésta como tal, dichas partículas volverán a experimentar un presente que fue futuro y, por tanto, ya es pasado en este nuevo estado.

Multidimensionalidad

   Este juego espaciotemporal de una inmaterialidad que se opone a la racionalidad requiere una atención especial, un estudio tan detallado y verosímil, para exponer con claridad los procesos novedosos que, por regla general, sobrepasan nuestra capacidad lógica, sobre todo al contrastarlos con algunas experiencias consideradas como de “normalidad física”.

Simultaneidad espaciotemporal

   Veamos. Aparentemente se nombra a la “dimensión tiempo” cuando se expresa la palabra simultaneidad. Claro, si la partícula subatómica se encuentra en varios espacios “simultáneamente”, aun no nombrando el tiempo explícitamente, se sobrentiende que su concepto queda establecido como unidad espaciotemporal. Esta simultaneidad puede producirse en dos puntos tan separados entre sí como son los extremos de una galaxia. Si el proceso es examinado por un observador externo, la simultaneidad desaparece y el proceso físico se produce como cualquier otro “físicamente correcto”. Pero, vamos a suponer que el observador externo puede percibir a ambas partículas, entonces, para éste el tiempo en el que transcurre la duplicidad espacial debe ser el mismo ya que es simultáneo. Para una de las partículas con respecto a la otra ya no es tan claro que el tiempo transcurra en el mismo instante. Puede que en una de ellas su existencia espaciotemporal con respecto a la otra transcurra en el pasado o en el futuro ya que, aun existiendo la simultaneidad espacial, los tiempos en unos puntos tan enormemente alejados entre sí no tienen por qué ser los mismos. De modo que, una partícula se puede encontrar en su presente mientras que ella misma, en otro espacio y “simultáneamente”, se puede encontrar en su futuro.

¿Simultáneo?

   Esta dualidad temporal no se refleja con la claridad que sería necesaria ya que nuestra concepción del tiempo físico común siempre la definimos como unidimensional y unidireccional. Los sucesos del pasado apreciados en el presente ya son inteligibles, incluso en los fenómenos físicos tradicionales, mediante la comprobación tácita de vivir en nuestro presente sucesos ocurridos hace miles de años, como es el ejemplo de estrellas o galaxias desaparecidas en nuestro pasado, siendo vislumbrado tal fenómeno en nuestro presente.

El futuro que pasó

   Pero la comprensión del tiempo desde los estudios realizados por Einstein ya es muy diferente. Espacio/tiempo y su contracción o dilatación empiezan a no ser muy bien explicados en lo enormemente pequeño. Einstein ha sido crucial para el desarrollo de la Física moderna en lo enormemente grande, pero el mundo subatómico es tan caótico, tan poco ortodoxo, tan peculiar, y sin embargo tan real, que la simultaneidad espacial y quizás no la simultaneidad temporal en un instante están provocando unos procesos de investigación tan importantes, tan serios y tan novedosos, que volverles la espalda supondría un retroceso en la investigación que, como en otras ocasiones históricas, retrasaría la vida científica hasta cotas casi irrecuperables.

    

Espacio físico normal, Manhatan

 Espacio físico arrugado, Manhatan

   Un día no lejano seremos capaces de “arrugar el espacio” para conseguir viajar a velocidades superiores a la luz. Y, ¿para qué tanta velocidad? Quizás no esté bien expresada la primera frase de este párrafo: no se trata de conseguir velocidades superiores a la de la luz, se trata de “acercar el espacio/tiempo futuro”, aquel que se encuentra más lejos al presente. De esta forma conseguiremos llegar al futuro, más rápido, más velozmente que la luz. Llegaremos al futuro en el presente. El siguiente paso será llegar al futuro en el pasado.

Acercamiento del espacio/tiempo al futuro