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Lo que más quería en el mundo Einstein, además de a su segunda esposa que no le hacía preguntas sobre el trabajo, era conseguir una única teoría unificada para explicar todo el universo, desde lo macro más macro a lo micro más micro. Con su Relatividad General no lo consiguió, le faltó su poquito de cuántica y su poquito de incertidumbre.  Podríamos decir que la trimurti de la física actual la conforman Einstein, Planck y Heisenberg. También Euler tendría mucho que decir al respecto, ya que se le podría denominar el padre de la Teoría de Cuerdas, que a día de hoy es la respuesta al sueño de Einstein mas plausible. Si no ella, sus amigas más íntimas..las cinco Teoría de las Super Cuerdas o mejor aún, la Teoría M.

Como ya comenté en la entrada de Los ladrillos del universo, la Teoría de Cuerdas basa sus postulados en la existencia de unos hilos vibrantes de energía que compondrían todas las partículas de la materia. Cuando se empezó a trabajar con los hadrones allá por los 60, la teoría cuántica no podía con ellos. La interacción de partículas puntuales no correspondía a la interacción que manifestaban. Más bien se debería tratar de objetos extendidos en una dimensión, es decir, en vez de puntos, cuerdas.  Estas teorías entusiasmaron a los  físicos, sobre todo cuando se mostró que a bajas energías, donde las cuerdas se pueden considerar puntuales, la teoría reproducía la Relatividad General. Todo encajaba en un puzle sideral. Los modos de vibración que corresponderían a los gravitones, que son las partículas de la gravedad, a baja energía interactúan de acuerdo a las leyes de la Relatividad General. Y además no es posible que lo hagan de otro modo sin violar algún postulado básico de la teoría. De la misma manera en que la Relatividad General se reduce a la teoría de Newton para campos débiles, la teoría de cuerdas se reduce a la Relatividad General para bajas energías.

Hay numerosas teorías de partículas puntuales, pero sólo hay cinco tipos de teorías de cuerdas que pasan el test de consistencia matemática. Las cuerdas deben estar sujetas a las leyes de la relatividad y hay que desarrollar una mecánica cuántica de cuerdas. Sólo unos pocos modelos cumplen estos requisitos.

Pero al intentar aplicar a la teoría los postulados de la Mecánica Cuántica, se descubrió que el número de dimensiones del espacio tiempo debía ser 26, 25 dimensiones espaciales y el tiempo. Por primera vez una teoría predice el número de dimensiones del espacio-tiempo, pero bote pronto parece un poco absurda esta predicción. A esto habría que añadirle que entre todos los modos de vibración que aparecen hay uno que corresponde a una partícula cuya masa al cuadrado es negativa. Es decir, la masa no es un número real sino imaginario. Estas partículas se llaman taquiones y básicamente constituyen el eje del mal de las teorías cuánticas porque conducen a resultados ilógicos e inexplicables. Además, estas cuerdas que viven en 26 dimensiones sólo tienen grados de libertad bosónicos, no incluyen fermiones, y entonces no pueden explicar la materia que conocemos. Es decir, valía para poco.
Todos estos problemas se solucionaron agregando supersimetría a la teoría, es decir incorporando compañeros fermiónicos para cada bosón. Así se encontraron otras formulaciones que no contienen taquiones y no requieren tantas dimensiones para el espacio−tiempo. Estas son las cinco teorías de supercuerdas, que viven en 10 dimensiones espacio−temporales. Con todo esto, la teoría no podía responder una pregunta esencial. ¿Por qué nuestro universo es sólo una de las muchas soluciones de la teoría de cuerdas?

Partiendo de estas cinco Teorías de Cuerdas , Edward Witten llegó a una revolucionaria teoría de unificación llamada Teoría M. Definió elementos que no sólo podían ser cuerdas vibrantes (abiertas o cerradas) sino objetos de una dimensionalidad mayor a los que se les dió el nombre de membranas o p-branas. Al parecer nuestro universo podía ser una de esas membranas que flotan en un espacio de mayor dimensionalidad junto a otras membranas, que vendrían a representar a otros universos. Lo que distingue a las cuerdas de las p-branas es que la teoría cuántica de campos que describen objetos de una dimensión son renormalizables, mientras que para p>1, estas teorías son no renormalizables. La Teoría M añadió una dimensión más, quedando en 11 las dimensiones espcio temporales.

La teoría conceptualmente no es nueva. Salvando las distancias, esto ya lo decía Giordano Bruno hace la friolera de algo más de 400 años. Bruno hablaba de los multiversos y fué acusado por ello de hereje y quemado en la hoguera, curiosamente por la misma alma cándida que poco despues acusó a Galileo. ¡Angelico el Belarmino!

Cotilleos varios aparte, estas membranas podrían estar chocando indefinidamente entre sí, generando no sólo el Big-Bang que creó nuestro universo, sino muchos otros Big-Bangs con una frecuencia impredecible. Lo que viene siendo una orgía cósmica en todo su esplendor.

Una diferencia fundamental que distingue a la teoría M de cualquier teoría previa es que los principios no se ponen a dedo; son consecuencia matemática del modo particular de satisfacer las reglas de la mecánica cuántica. No hay ningún parámetro libre en la teoría M; no hay nada que se pueda ajustar. Todos los elementos de la teoría quedan determinados por la consistencia matemática. M predice que el espacio−tiempo tiene 11 dimensiones y es supersimétrico. Como el gravitón parece ser una característica inevitable de M, se puede decir que esta teoría explica por qué existe la gravedad.

Para ser verdaderamente exitosa la teoría debería tener una única solución a partir de la cual podamos saber qué tipos de partículas existen a bajas energías, sus masas, las intensidades de sus interacciones y probabilidades de todo tipo de procesos. Sólo realizando estos cálculos y comparándolos con el experimento podremos saber si M es correcta. Todavía no hay un test decisivo de la teoría, no  hay predicciones cuantitativas. Pero es la única candidata para ser la teoría madre. Se puede pensar en M como el embrión de la primera teoría matemáticamente satisfactoria de la gravedad cuántica unificada con las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza.

La Teoría M es una muy buena candidata para cumplir el sueño del Einstein y convertirse en una Teoría del todo. Pero como no ha hecho ninguna predicción clara que pueda constrastarse empíricamente, el escepticismo que la rodea es espeso. Feynman llegó a decir que es un disparate. Pero ni Feynman es Belarmino, ni Witten  es Bruno, afortunadamente para los dos.

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Los antiladrillos del universo

Publicado: 13 junio, 2011 en Ciencia
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La semana pasada se publicó una noticia que me emocionó. Los lagrimones se me caían a borbotones…habían conseguido capturar antimateria…solo una poquita, 300 sin ir mas lejos, y un cuartito de hora, pero vaya, se ve que lo suficiente para averiguar un poco más. Ya se había conseguido el año pasado producir y atrapar, pero menos y durante menos tiempo.  En concreto fue el antihidrógeno el que cayó en la trampa. Vale, la antimateria existe. Y si el Enterprise hubiera ido con alpechín tampoco nos haría falta saberlo.

Básicamente, la antimateria es materia con las cargas cambiadas, o sea, en vez de un protón positivo rodeado de electrones negativos, antiprotones negativos rodeados de antielectrones positivo, lo que viene siendo un positrón, no confundir con el rey subacuático. Los neutrones y antineutrones son un poco mas difícil de explicar, claro,¿ cual es la carga opuesta de ninguna carga?. Lo cachondo de todo esto es que si un átomo de antimateria se encuentra con un átomo de materia, se aniquilan, y ya sabeis eso de E=mc2. Bien

De manera que tenemos un antialgo que genera energía cuando se encuentra con un algo. No sólo libera energía, no, es el método más potente para generar energía…eficacia del 100%, ¡qué barbaridad!. Espera, que además no contamina, no radia y no ocupa casi lugar, como el saber…Esto….sí efectivamente, lo mismo vale para alumbrar una ciudad que para destruirla. Es lo que tiene la ciencia, que avanza a ciegas y ya el ser humano la va liando parda por el camino. ¿Qué mas da que se nos acabe el petróleo teniendo antimateria?

Pues sí que da sí, porque obviamente no puedes ir al mercado a pedir déme usted cuarto y mitad de antimateria. Cierto es que si queremos podemos, pero necesitamos para obtener una, 100 millones. Vamos que no. Pero tiempo al tiempo, llegará una era en la que la fabricación de antimateria sea como la de churros, yo calculo más o menos que para cuando el teletransporte esté en versión beta.

Se supone que después del gran petardazo, lo que viene siendo el Big Bang, la materia y la antimateria estaban desparramadas mas o menos a partes iguales, pero ahora no hay por donde pillarla, salvo en el tubaco de hadrones y en alguna que otra tormenta. Y digo yo, igual que nosotros nos estamos fundiendo los combustibles fósiles, ¿no habrá un civilización superior que ha ido recolectando la antimateria del universo para sus cositas? Bueno la respuesta de la ciencia es un poco diferente. No, la materia es la prefe de la naturaleza así que ésta procedió a un genocidio de antimateria. En fin, esto me suena al horro vacui del siglo XVII, así que supongo que habrá un Pascal que diga dejaros de tonterias y a ver si descubrimos de una vez la verdad. Bueno quería decir, a ver si encontramos un nuevo paradigma que explique con fundamento y contrastación empírica esto de la antimateria.

 Mientras tanto, nos sentaremos por si tardan.

Los ladrillos del universo

Publicado: 7 junio, 2011 en Ciencia
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Cuando se habla de antimateria muy pocos tienen en mente a Demócrito de Abdera…o a Dirac, dos grandes precursores sin cuya sapiencia no habría sido posible llegar a este concepto tan antinatural.

El tal Demócrito vivió allá por el 450 aC, la época dorada de la Grecia Clásica y pasó a la historia porque fue el primer infeliz al que se le ocurrió pensar que la materia estaba compuesta de pequeñas partículas indivisibles a las que denominó átomo que significa básicamente eso, individible. Pues va a ser que no, porque el átomo indivisible lo que se dice indivisible no es.

Pronto, unos 20 siglos despues,  aparecieron electrones peregrinando entorno al núcleo duro formado por protones y neutrones. La ciencia es lo que tiene, que cambia de paradigma como el molusco bivalvo de caperuza, no necesariamente roja.

A principios del siglo XX hubo un tal Dirac, que además de tener una delta muy famosa, también tuvo una idea tan peregrina que ni siquiera se atrevió a defender. A este señor se le ocurre pensar que toda partícula tiene su antipartícula, y por aquellas el LSD no estaba inventado. Es decir partículas con exactamente las mismas propiedades excepto la carga, que es opuesta, lo que viene siendo un roto pa un descosío…o sea que al electrón le debía tocar en suerte un anti-electrón. Cuando años despues se encontraron a un tal positrón Dirac no daba crédito, tenía razón. Eso fue el acabose, las partículas y antipartículas a partir de ese momento empezaron a aparecer como setas. Quien sea capaz de nombrarlas todas que venga aquí y postee. Total que mas o menos cuando yo nací, se pusieron medio de acuerdo y se generó lo que se llama MEFP, que manía con los acrónimos: Modelo Estándar de la Física de Partículas, que básicamente nos dice qué partículas y qué fuerzas hay en la naturaleza, y cuales son sus propiedades. El electrón resulta que sí es una partícula elemental, es decir, mas o menos indivisible aunque aniquilable, lo que viene siendo un ladridllo. Pero neutrón y protón en realidad están compuestos por varios ladrillos, no son tan elementales como parecían. En total son 12 los ladrillos básicos que componen el universo y 4 las fuerzas con las que pueden interactuar entre ellos. Todo esto por supuesto hasta que en Ginebra nos den una sorpresa abriendo un agujero de gusano que mande este universo a una realidad alternativa…que al final seguro que no es tan alternativo sino bastante comercial.

Para que el MEFP termine de cuadrar algo mas, se postula la existencia de una nueva partícula que es lo que están tratando de encontrar en el famoso acelerador de hadrones, lo que viene siendo el famoso Bosón de Higgs que algún día entrevistarán en prime time y nos desvelará los secretos del universo.

Volviendo a los ladrillos, si seguimos pensando que son 12, ya que el amigo de Higgs todavía no ha dado señales de vida, aunque deje sentir su presencia, los dividimos básicamente en dos grupos. El grupo de los quarks o hadrones y el grupo de los leptones…esto es como los tigres y leones…todos quieren ser los campeones.

Partículas y fuerzas del universoEn este currado ejem  dibujito podeis ver un detalle de la clasificación, por aquello que una imagen vale mas que mil palabras. Creo que podría contarlo con menos de 1000. Los nombres no tienen desperdicio, extraño y encanto son mis favoritos.

El gravitón en verdad es mejor que no exista, porque es una partícula incompatible con muchas de las cosas que sabemos de la relatividad general. El gravitón sería una partícula hipotética en la que no muchos físicos creen.

El modelo funcionar funciona bastante bien, excepto con la gravedad, que es lo que tiene, si no es por ella es por su propio peso. Pero bueno, la teoría de cuerdas puede que sea la respuesta a este sin vivir que se trae la gravedad con la cuántica. Mal y pronto la teoría de cuerdas postula que las partículas no son esferas pequeñicas…puntitos diminutos, sino lacitos chiquititos. El mundo está petado de lacitos, sí, esa es la idea. Una esfera sólo puede girar, pero una cuerdita puede oscilar de diferentes maneras, Los 12 ladrillos en realidad son 12 formas de oscilar de la misma cuerda en cuestión. Este tipo de teorías y otras varias hacen pensar que el  MEFP sea parte de una colección mayor de partículas llamada supersimetría. Pero ese es otro tema para otro momento.