Año mundial de
En el último siglo ha avanzado muchísimo nuestra comprensión de la naturaleza. Es asombroso el nivel de conocimiento que hemos llegado a adquirir sobre las partículas más elementales de las que estamos hechos y sobre la estructura general del Universo.
Sin embargo, en este momento
Para completar este panorama, debemos añadir el Modelo Estándar de
En este artículo vamos a repasar el conocimiento incluido en estas tres áreas, dando una muy breve introducción a cada una de ellas, que posteriormente será ampliado en otros artículos. Finalmente, repasaremos las alternativas sobre las que se trabaja para obtener una teoría unificada que acabe con esta pesadilla de incompatibilidad para los físicos.
Basándose en los trabajos de algunos físicos que le precedieron, como Lorentz, Albert Einstein escribió en 1905 dos de sus famosos artículos que sumarizaban lo esencial de
En la mecánica de Newton, para sumar velocidades simplemente se suman; es decir, si vamos por la carretera a 120Km/h y un coche viene en sentido contrario a 100Km/h, la velocidad relativa entre nosotros será de 220Km/h. Esto es algo que cuadra totalmente con nuestra experiencia cotidiana. Sin embargo, esto mismo aplicado a los rayos de luz significaría que la velocidad de aproximación de dos rayos de luz en sentido contrario sería de 2* c (siendo c la velocidad de la luz en el vacío).
El experimento de Michelson refutó este resultado. La conclusión de Einstein era que la velocidad de la luz, se mirara como se mirara, siempre es c. Y en el caso anterior, a pesar de que cada rayo de luz va a la velocidad c, para un observador en reposo ¡la velocidad entre ellos también es c !
Para que la velocidad de la luz (c) sea infranqueable y sigan cuadrando las cosas es necesario que a velocidades cercanas a c pasen cosas tan extrañas como que los cuerpos se acorten, la marcha del tiempo se reduzca y las masas se incrementen.
De todo esto también se deducía, en uno de los artículos de Einstein de 1905, que la energía y la masa son equivalentes, lo que acabó formulando más adelante en su famosa e inmortal fórmula: E=mc^2
Aunque todo esto parezca increíble,
Como resultado de ello, en 1916 publicó
El desarrollo de
Imaginar que el espacio-tiempo se puede curvar es un concepto sumamente abstracto que sólo se llega a comprender después de manejar muy a menudo conceptos matemáticos de esta índole. Es importante resaltar que no solamente se curva el propio espacio, sino que se curva el ente indivisible tetradimensional que forma el espacio y el tiempo.
En
Pero para que eso pudiera ser así tuvo que considerar que la radiación se emitía en cuantos discretos de energía. Es decir, no se podía emitir una cantidad cualquiera de energía, tenía que ser un múltiplo entero de una determinada cantidad. En un principio, el propio Planck consideraba que esto era una triquiñuela matemática para que su formulación cuadrara, pero dejaba pendiente una futura explicación física. Resultaba increíble en aquel momento pensar que la energía pudiera venir en paquetes discretos. Sin embargo, aquello fue el hito fundamental que marcó la creación de una nueva teoría física revolucionaria:
- Tanto la materia como la energía (que sabemos son equivalentes por
- La energía siempre se presenta en múltiplos enteros de unas cantidades mínimas que dependen de la frecuencia.
- El estado de una partícula o de un conjunto de ellas se representa por un ente abstracto llamado “vector de un espacio de Hilbert”. Este estado contiene todo lo que podemos saber sobre una partícula: su posición, su velocidad, su energía, etc.
- Cada vez que medimos algo de una partícula, su estado cambia irremisiblemente, dependiendo de la medida que hemos efectuado. Esto hace que nos sea imposible medir con precisión ciertos pares de valores como son su posición y su velocidad. Éste es el famoso Principio de Incertidumbre de Heisenberg.
- De hecho, ciertos conceptos clásicos como son el de posición no existen de forma precisa para una partícula. La posición de una partícula realmente es una distribución de probabilidades de dónde se puede encontrar. Esto nos lleva a un indeterminismo de la naturaleza y a la introducción del concepto de aleatoriedad, algo que Einstein negaba con su famosa frase de “Dios no juega a los dados”.
Publicaremos más adelante otro artículo en el que entraremos algo más en detalle sobre estas increíbles afirmaciones. Por el momento, valga decir que a pesar de su increíble apariencia,
El Modelo Estándar de
Cuando la mecánica cuántica estaba en el proceso de su creación sólo se tenía certeza de la existencia de tres partículas: el electrón, el protón y el neutrón. De ellas se sabía que sus cargas eléctricas eran -1, +1 y 0, respectivamente, y que las masas del neutrón y el protón eran casi iguales y mucho mayores que las del electrón. Se sabía que los átomos estaban formados por un núcleo con protones y neutrones y una capa externa de electrones.
El físico Paul Dirac llegó a la conclusión de que para toda partícula elemental tenía que existir una antipartícula, con idénticas propiedades pero con carga opuesta. Por ejemplo, existe una antipartícula para el electrón, el positrón, cuya carga es +1. Esta hipótesis fue posteriormente comprobada en los aceleradores de partículas.
Los aceleradores de partículas han tenido una actividad frenética en los últimos 50 años, intentando identificar cuáles son estas partículas y fuerzas. De hecho, el CERN (Centro Europeo para
Finalmente, Murray Gell-Man propuso una teoría, por la que recibió el premio Nobel, en la que postuló que existían unas partículas más elementales aún que los protones y neutrones, que formaban a los mismos. Dichas partículas se denominan Quarks y pueden unirse de tres en tres para formar protones y neutrones o de dos en dos para formar otros muchos tipos de partículas como los piones y kaones. Esto redujo mucho el número de partículas diferentes.
Sabíamos que además de la fuerza gravitatoria existe la fuerza electromagnética; para poder explicar cómo los neutrones y los protones están unidos entre sí, fue necesario postular una nueva fuerza llamada fuerza nuclear fuerte. Con el descubrimiento de los Quarks fue posible establecer una teoría coherente de la fuerza nuclear fuerte. La fuerza nuclear fuerte tiene una extraña característica llamada “libertad asintótica” que impide que los Quarks puedan ser vistos libremente, pero a pesar de ello, la teoría de los Quarks está plenamente aceptada en
Además de estas tres, existe una cuarta fuerza: la fuerza nuclear débil, aunque hoy en día contamos con una sólida teoría que establece que las fuerzas electromagnética y nuclear débil son diferentes vistas de una única fuerza llamada electrodébil.
Todos estos descubrimientos llevaron a la formulación de una teoría que establece cuáles son todas las partículas y fuerzas que existen en la naturaleza y cuáles son sus propiedades. Esta teoría es el llamado Modelo Estándar de
El MEFP nos dice que los fermiones (partículas que forman la materia) que existen se descomponen en tres familias y que cada familia consta de un electrón, un neutrino y dos quarks. Realmente, a los “electrones” de las otras dos familias se les llama “muón” y “tau”. Son partículas idénticas al electrón, salvo que de mayor masa. Además de estas 12 partículas, existen las correspondientes 12 antipartículas: positrón, antineutrino y antiquarks en cada una de las tres familias.
El MEFP nos dice también que existen tres fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza electrodébil que se transmite por el fotón (bosón de la fuerza electromagnética) y los bosones débiles W+, W- y Z; la fuerza nuclear fuerte que se transmite por 8 tipos de partículas llamadas gluones, y la fuerza gravitoria que, como veremos un poco más adelante, es la que no acaba de “cuadrar”. Si llegara a “cuadrar”, se transmitiría por una supuesta partícula que no hemos podido ver hasta ahora llamada “gravitón”.
Lo que hemos contado sobre
Esto, junto al hecho de que la mecánica cuántica en su formulación original no tiene en cuenta los efectos relativistas, motivó un desarrollo posterior de la mecánica cuántica en lo que se denominaron teorías cuánticas de campos (TCC, FQT: Field Quantum Theory). Realmente existen dos teorías cuánticas de campo. La más consolidada es
Hay que resaltar el hecho de que
La incompatibilidad de
La búsqueda de una Teoría de Gravedad Cuántica (TGC)
Como comentamos al comienzo del artículo,
Cuando tenemos un problema en el reino de lo muy pequeño (picometros o femtometros)
El problema es que si queremos hacer un cálculo sobre lo que les ocurre a las partículas elementales en presencia de grandes campos gravitatorios, como se necesita en los agujeros negros, las dos teorías ofrecen resultados dispares y no compatibles. No sabemos cómo establecer una teoría que incluya a ambas y que permita eliminar esa incompatibilidad.
El problema es que
Por eso, el gran reto de la física actual es dar con una hipotética teoría que incluya y de la que se puedan deducir ambas teorías. Dicha teoría se denominaría una Teoría de Gravedad Cuántica (TGC, QG: Quantum Gravity).
Los dos candidatos principales a TGC:
En estos momentos existen dos grandes líneas de investigación a posibles candidatos a una TGC. Una es
Uno de los grandes problemas a los que se enfrenta
Para que pueda haber 7 dimensiones espaciales nunca vistas es necesario suponer que éstas están curvadas y que son de tamaño muy pequeño. Esto es un concepto bastante abstracto, aunque totalmente factible. Más adelante publicaremos un artículo dedicado a
La comunidad física se encuentra bastante dividida por los que trabajan en
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