Alberto Lacasa

Reflexiones sobre televisión y cine

Posts tagged mecánica cuántica

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Einstein vuelve de la playa

El mes de agosto ya se acaba y mi compromiso de colgar posts sobre física se acaba.

A lo largo de estos 20 posts (incluído este) hemos repasado aspectos de la teoría de la relatividad y de la mecánica cuántica. Han surgido paradojas como la de los gemelos, la del gato o la del matricida.

El Big Bang, el fin del universo, o la dirección unívoca del tiempo nos han acompañado y sorprendido en algunos momentos.

Para mí, ha sido una experiencia muy divertida porque me ha hecho recuperar conceptos que hacía tiempo que no tocaba con algo de profundidad. En algunos momentos he dudado de si sería capaz de explicar algunas cosas, especialmente en los artículos de física cuántica.

Con todo ello, han quedado un montón de cosas por explicar y que son de lo más llamativo.

Por ejemplo no he hablado de la teoría de universos múltiples, que tiene mucho que ver con la teoría de cuerdas y que dice que aquellas probabilidades cuánticas que en nuestro universo no se realizan, se producen en universos paralelos.

El principio holográfico lo que sostiene es que, para observar lo que sucede en un espacio contenido (como un universo) de n dimensiones, sólo hace falta mirar qué sucede en su superficie delimitadora para explicar lo que sucede dentro. Explicado fácil. Es como decir que en la superficie de la tierra (2 dimensiones) está contenida toda la información de lo que sucede en su interior (3 dimensiones); estoy hablando de el núcleo de la tierra y sus diferentes capas internas.

He dicho que la velocidad de la luz no puede ser superada, pero eso es sólo cierto en el vacío porque en otros medios, la luz va más lenta. En algunos medios, algunas partículas viajan más rápida que la luz (en ese medio). Y se produce un curioso efecto, similar al que sucede cuando un avión supersónico rompe la barrera del sonido, llamado radiación de Cherenkov.

También hay áreas que no he tocado, pero íntimamente relacionadas con estos temas, como por ejemplo la detección de planetas exosolares (fuera del sistema solar), o vida inteligente. Determinación de la edad del universo, todo el proceso de formación de las partículas tras el big bang…

En fin, que no acabaría nunca. Sólo espero que hayáis disfrutado alguno de los artículos. Y ahora, vuelta a la rutina sobre imagen, que ya le tengo ganas. 😉

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Teoría del Todo

Qué título más raro, ¿no? Pues va en serio. El fin último de los físicos es este; la teoría del todo. Y, si me permitís, voy a contaros de qué se trata.

La historia de la física ha sido siempre un camino que ha abierto nuevas puertas para que luego quedaran unificadas con el resto de la teoría.

Cuando Newton desarrolló la ley de la gravedad, se dio cuenta de que lo que atraía una manzana al suelo es lo mismo que lo que mantiene unidos a los planetas. A nosotros nos parece tan de perogrullo que nos cuesta, incluso, imaginar la hipótesis inversa. Pero si lo piensas un poco, verás que no es tan obvio que las dos cosas se vean afectadas por la misma fuerza.

Años más tarde, a finales del s. XIX, Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo, dos fuerzas que se intuían como la misma, pero que nadie había conseguido unir.

Hasta la llegada de la mecánica cuántica, conocíamos sólo dos fuerzas fundamentales; la gravedad y el electromagnetismo. Después de lanzar su teoría de la relatividad, Einstein se focalizó en unir la gravedad y el electromagnetismo. Pero no lo consiguió…

Además apareció la mecánica cuántica, que siempre desagradó al famoso físico. Ya he dicho varias veces que las dos explican realidades muy distintas del Universo; para las cosas enormes (estrellas, planetas, galaxias…) usamos la teoría de la relatividad. Para las cosas pequeñas (partículas, núcleos estelares…) utilizamos la mecánica cuántica.

Además, esta nueva teoría provocó la aparición de dos fuerzas más; la fuerza nuclear débil (responsable de la radiactividad) y la fuerza nuclear fuerte (responsable de unir las partículas del núcleo).

El problema es que hay una pequeña porción del Universo al cual afectan simultáneamente grandes gravedades a partículas (u oscilaciones) muy pequeñas. Y, en ese caso, cada una de las teorías da un resultado distinto. Necesitamos algo que las unifique.

¿Eso implica que las dos teorías están mal? No, lo que quiere decir es que son buenas aproximaciones, muy válidas, fuera de este pequeño ámbito de uso. Es como si para calcular lo que tarda un tren para ir de una ciudad a otra usáramos la relatividad. Sería absurdo porque, aunque fuera más preciso, la variación sería enormemente pequeña, imperceptible. En cambio, el cálculo hubiera sido mucho más árduo.

A esa parcela pequeña en la que se unen la gravedad y la teoría cuántica la llamamos gravedad cuántica. Y es ahí donde está el campo de batalla.

Hay una de las teorías que está bastante aceptada, aunque aún no hemos podido validarla con la naturaleza. Se la conoce como teoría de cuerdas y predice un universo muy diferente al que imaginamos.

Imagina la cuerda de una guitarra. Cuando la rasgamos da una nota. Pero si nosotros movemos el dedo que la está pulsando en el mástil, la nota que sonará es diferente. Eso se debe a que, al mover el dedo, cambiamos la frecuencia a la que vibra la cuerda.

La teoría de cuerdas lo que dice es que todas las partículas son, en realidad, como cuerdas vibrando. En función de la “nota”, de la vibración, la partícula se muestra como un electrón, como un quark, como un gravitón… Pero la cuerda es siempre la misma.

A pesar de que las cuerdas tienen 1 sola dimensión, esto requiere un universo, ya no de 4 dimensiones, como dice la relatividad, sino multitud de ellas. Algunas variaciones de la teoría de cuerdas hablan desde 8 o 9 hasta 11. Entonces, la partícula que nosotros vemos, adimensional (las partículas son puntos y los puntos no tienen dimensiones), no es más que la representación de esa cuerda que vibra en 9 dimensiones en nuestra realidad tridimensional. (No intenten imaginarlo en sus casas ;))

Ahora esta teoría se ha visto ampliada y ya no sólo se plantean la posibilidad de que sean cuerdas las que vibren, sino planos (o sea 2 dimensiones),  o estructuras con más dimensiones. Se conoce de hasta 5. Y a esa “ampliación” de la teoría de cuerdas la llamamos teoría M.

El problema de la teoría de cuerdas o teoría M es que no hemos podido comprobarla, a pesar de que hace 30 años que está formulada. Hay en torno a ella un profundo debate sobre si es pseudociencia o si el método científico (que implica proponer leyes que sean verificables) está desfasado.

En todo caso, demuestra el interés de la ciencia por hallar un fondo común que explique, con una sola formulación, la totalidad del Universo.Y el tiempo acabará por darnos una respuesta… o no.

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La materia debajo de la alfombra

Cuando miramos al cielo, las estrellas nos parecen enormes y eso nos induce a pensar que su masa debe representar una porción enorme de la masa total. Pero, en realidad, sólo representan el 0,4% de la masa total. Entonces, ¿dónde está el resto?

El gas intergaláctico representa una masa mucho mayor (sobre el 3,6%) pero, aún así, falta mucha. Por allá los años 30, un físico suizo, Fritz Zwicky, quiso medir la masa total de un cúmulo de galaxias (que es un montón de galaxias juntas). Para hacerlo, midió la velocidad a la que rotaban las galaxias porque la masa y la rotación están íntimamente ligadas. Y luego midió la luz que emitía todo el cúmulo, ya que la luz está relacionada con la energía y esta, a su vez, con la masa. Y el resultado fue que había 400 veces más que la masa esperada…

Eso llevó a los físicos a la conclusión de que el universo está constituído en, buena parte, por una materia oscura, que “no se ve”. Esta materia se acumula en las galaxias aumentando muchísimo su masa.

En estas imágenes podéis ver a la derecha como “vemos” una galaxia (a la derecha) y el halo de materia oscura que, en realidad, hay (a la izquierda).

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Además, descubrimos y hace poco mapeamos, que las Galaxias estaban unidas por una especie de red de gases que forman como una malla. Eso nos ha venido de narices porque nos ha ayudado (y mucho) a comprender porqué la materia se ha acumulado formando galaxias.

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Después del Big Bang, la materia oscura se distribuyó de forma no uniforme formando esta gran red con filamentos. En los puntos de unión de estos filamentos se producía una acumulación de materia que provocaba la concentración de la materia que, después, ha formado las galaxias. Así, y como ellos mismos dicen, la materia oscura ha constituído una especie de andamiaje para la materia “que vemos”.

Esta imagen son los filamentos tal y como están ahora que hace tan sólo 2 años, pudimos mapear. Tienes que pensar que cada uno de los puntos que se ven, son multitud de galaxias.

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Aunque la materia oscura es más de 5 veces la materia “que vemos”, el conjunto de las dos, sólo representan el 25% de la materia del Universo. ¿Dónde demonios está el 75% que falta?

¿Os acordáis que hablamos que había una posible 5ª fuerza fundamental de la naturaleza? Una de las formas de explicarla sería que hubiera energía repartida por todo el universo de forma uniforme, a la que no le afectara la gravedad. Esta energía tendería a separar la materia, es decir, a expandir el Universo.

Una hipótesis es que esta energía se genera en el vacío. Si recordáis, por el principio de indeterminación no podía haber ningún punto del universo vacío. Pues a las regiones donde no hay “nada”, se supone que hay como unas oscilaciones, que podrían ser la fuente de esta energía, que representa el 75% del total. Nada mal, ¿no?

Así, como veis, el Universo esconde la mayor parte de su contenido a nuestros ojos. Y cuando miramos al cielo sólo estamos viendo una parte ínfima de su contenido.

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La paradoja del gato de Schrödinger

Una de las paradojas más curiosas de la ciencia es la paradoja del gato de Schrödinger aunque, para entenderla, tenemos que recapitular un poco. Así que voy a ello.

Si os acordáis, ya había hablado del principio de indeterminación, según el cual, una partícula no está en ningún sitio en concreto sino que tiene una probabilidad de estar en ese sitio en concreto. Dicho con otras palabras; las partículas están en diversos sitios a la vez. Eso también se da con otras propiedades medibles de las partículas (energía, posición…).

Pero, ¿cómo puede una partícula tener, a la vez, varias energías, posiciones…? A escala cuántica (o sea, muy pequeña), las partículas se comportan como ondas. Y las ondas pueden superponerse, como vemos con las olas del mar cada vez que vamos a la playa. A esa superposición de “estados”, se le conoce como superposición cuántica.

Sí, ya sé que eso es impensable pero recordad que el mundo de lo más pequeño funciona con unas reglas completamente diferentes a las nuestras. Y no olvidéis las cosas curiosas que nos pasaban cuando veíamos el experimento de Young, sólo por el hecho de nosotros estar ahí observando. La conclusión era que el observador afecta a las mediciones.

Pero todo esto es profundamente perturbador. Si las partículas pueden estar en varios sitios a la vez y una pelota de baloncesto está constituído por partículas; ¿por qué las pelotas de baloncesto no están en varios sitios a la vez?

Para tratar de explicar todo esto, Schrördinger, en los años 30, propuso este experimento imaginario. Colocamos a un gato dentro de una caja opaca, que no podamos ver su interior. Con el gato colocamos un recipiente con veneno. Y además, una partícula radiactiva con un 50% de probabilidades de desintegrarse en la próxima hora que, en caso de hacerlo, activaría un dispositivo que rompería el recipiente envenenando al gato.

Con lo cual, la vida del gato depende de si esa partícula radiactiva es emitida o no. Pero es que ya hemos visto que, según la mecánica cuántica y la superposición cuántica, esa partícula puede haber sido emitida y a la vez, no emitida. Luego, la vida del gato toma propiedades cuánticas y el sistema (todo el conjunto gato+recipiente+partícula) tiene aspectos del gato vivo y del gato muerto. Sobre el gato en concreto no podemos decir nada.

Pero, ¿qué pasa cuando abrimos la caja? En el momento en el que nosotros intearctuemos con el interior de la caja, hasta ahora aislado, el gato tomará uno de esos estados; o vivo, o muerto. Pero, ¿tiene sentido todo este galimatías?

Intentando ser muy intuitivo; la idea es que una partícula, cuanto más aislada está de su entorno, más cuántica es su mecánica. En esa situación, las propiedades de la partícula son “puramente” cuánticas. Se dice entonces, que la partícula está en un estado coherente.

En cambio, cuando esa partícula tiene un entorno, cuando introducimos nuevas partículas en el sistema, esta empieza a interactuar y la partícula ya  se muestra en un estado en concreto. Ese proceso es el que se conoce como decoherencia.

¿Significa esto que todo esté ligado al azar? Me explico. Imaginad que observamos una partícula y, por este hecho, la partícula toma un estado cuántico concreto. Ahora dejamos de observarla y vuelve a su coherencia, es decir, con superposición de diversos estados. Y volvemos a mirarla. ¿Presentará ahora un estado diferente?

A Einstein, que no le gustaban nada los principios de la mecánica cuántica, como crítica decía que; “Dios no juega a los dados”. Pero Stephen Hawking lo explica de maravilla en su libro “El mundo en una cáscara de nuez”.

Imagina que tienes un casino. Y propones el siguiente juego; los jugadores tiran un dado con 6 caras. Si sale un número entre el 1 y el 5 ganas tú. Si sale el 6, él. En una tirada en concreto puedes perder. Pero una vez realizadas 1000 tiradas, sí que sabemos que, probablemente, la inmensa mayoría de las veces ganarás tú.

Con el principio de incertidumbre y la decoherencia de la pelota de baloncesto de la que empezamos hablando pasa lo mismo. Es tan grande la probabilidad a favor de que no pasen cosas “extrañas” y tantas las “tiradas” que, desde nuestro punto de vista “clásico”, no van a suceder.

Espero haber sido lo más “claro” posible, teniendo en cuenta lo abstracto del tema. Por supuesto, si entra algún físico y quiere puntualizar/corregir cosas, estaré encantado. 😉
Por cierto, no sé si ayuda a que se entienda, pero hay una secuencia genial en la serie de humor The big bang theory que habla sobre este tema. Para los que no hayáis visto ningún episodio va de 2 superdotados (y sus amigos) que comparten piso. En frente llega una nueva vecina, de la que uno de los dos está enamorado. Así que ella pide consejo al otro y… mirad lo que pasa…

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Las fuerzas fundamentales del Universo

Cada post que pasa, imagino que debéis pensar que el Universo es realmente complejo. Hay multitud de casuísticas y aparecen distintas formas de interpretar la realidad que hacen intuir multitud de variantes que controlan el Universo.

En realidad, las fuerzas fundamentales del universo no son tantas y, la mayoría rigen el Universo de lo más pequeño. De hecho, son seguro cuatro y podría sumarse una más.

Pero antes de repasarlas, creo que es importante primero explicar antes cómo se comportan esas fuerzas. Trato de explicarme; Nosotros sabemos que el Sol y la Tierra se atraen mutuamente. Eso parece claro y, además, somos capaces de calcular con qué intensidad se produce esto sabiendo las masas y la distancia que las separa. Pero la pregunta es; ¿qué hace que el Sol y la Tierra se atraigan? O sea, si no se tocan, ¿cómo demonios pueden provocar uno efecto sobre el otro?

Y eso nos lleva a la siguiente reflexión. La física cuántica propone que existen un buen puñado de partículas; es lo que se conoce como modelo estandar. No voy a enumerarlas todas porque resultaría muy pesado, ni siquiera los grandes grupos. Si estáis interesados, clicad en el link de la wikipedia. Pero sí voy a hacer un breve resumen y luego entenderéis por qué, hablando de fuerzas, he acabado en las partículas.

En el colegio todos estudiamos que los átomos están constituídos por 3 subpartículas; 2 en el núcleo (neutrones y protones) y 1 orbitando alrededor del núcleo (electrón). Lo que no nos explicaron es que neutrones y protones están, a su vez, constituídos por otras partículas conocidas como quarks, aún más pequeñas y, por tanto, energéticas. Y, entre estas partículas, sin entrar en muchos detalles, pasa algo parecido a lo que sucede entre protones (de carga positiva) y electrónes (de carga negativa); algunas se atraen y otras se repelen.

Pero aún hay otro tipo de partículas y tienen una característica curiosa; no son detectables, y no tienen peso. En cambio, sí podemos medir sus efectos y por eso sabemos que existen. Voy a poner un ejemplo de partícula bastante conocida y que forma parte de este grupo; los fotones. La luz se transmite mediante fotones, pero los fotones no tienen peso y, en algunos casos, no podemos detectarlos, aunque notamos sus efectos.

Y aquí, amigos míos, llega la relación entre estas partículas y las fuerzas del universo. Porque precisamente esas partículas son las responsables de las fuerzas que rigen el universo. Como digo, no podemos detectarlas, pero sus efectos son evidentes. Pero, ¿cuáles son esas fuerzas?

Fuerza gravitatoria; Qué decir de ella que ya no se haya dicho. Es la causante de que los cuerpos se atraigan mutuamente y es la que domina el Universo a gran escala. Parece ser que, cuando dos planetas se atraen están enviándose mutuamente unas partículas que conocemos como gravitones.

Fuerza electromagnética; Es la fuerza que permite la electricidad que ilumina nuestras casas y el magnetismo de los imanes. La partícula que se encarga de esto es la misma responsable que la luz; el fotón. En el fondo, es la que mantiene a los electrones orbitando alrededor del núcleo del átomo, así que es la que gobierna a escala atómica.

Fuerza nuclear débil; Esta es algo difícil de explicar sin entrar en algunos detalles de cómo están constituídas las partículas. En todo caso, sus efectos son conocidísimos, porque es la responsable de la radiactividad. Y la partícula responsable tiene un nombre horrible; Bosón de Gauge.

Fuerza nuclear fuerte; En el colegio nos explicaban que electrones y protones se atraen y que un protón con un protón se repelen. ¿Nunca os habéis preguntado cómo puede ser entonces que los protones del núcleo del átomo no se repelan? Los protones del núcleo se repelen por culpa de la fuerza electromagnética. Pero a distancias muy cortas, domina otra fuerza que decae muy rápido a la que te separas un poco y que las mantiene unidas. Las responsables son una familia de partículas; los gluones.

– En los últimos 20 años nos hemos dado cuenta de que el Universo cada vez se expande más rápido, que parece ilógico si pensamos que la gravedad prococa atracción. Las explicaciones pueden ser 2; o hay una quinta fuerza que a distancias enormes domina sobre la gravedad, o no entendemos suficientemente la gravedad y, a grandes distancias, tiene un efecto contrario al que tiene a cortas.

El mundo de las subpartículas es apasionante. Yo he dicho que las subpartículas que estudiamos en el colegio están constituídas por otras subpartículas aún más pequeñas. ¿Cómo saber, entonces, que hemos encontrado las más pequeñas? Los estudios de Planck con los “paquetes” de luz, también concluían que espacio y el tiempo… sí, también van en pequeños paquetes.

Es como en el cine, que nos pasan 24 fotogramas cada segundo. Parece que hay continuidad, pero sólo lo parece. El tiempo de Planck (el más corto posible) es, más o menos, 10^-43 seg. (0 sea, 0,00000000000000000000000000000000000000000001 seg.) y la distancia de Planck 10^-35 m. (o sea, 0,000000000000000000000000000000000001 metro).

Esto se traduce en que hay un límite para las partículas más pequeñas. Además, hay otra regla y es que, cuanto más pequeña es una partícula, más energética. Llega un momento en el que, si esa partícula es demasiado pequeña, tiene tanta energía que acaba por implosionar y formar un micro-agujero negro. ¿No recordáis que cuando abrieron el CERN salieron unos cuantos agoreros diciendo que esa máquina destruiría el mundo? Se estaban refiriendo a eso. En su ignorancia, no sabían que esos agujeros negros tan pequeños se autodestruyen en seguida.

Como último apunte al modelo estandar, comentar que sólo falta por encontrar 1 partícula; el bosón de Higgs, que es el responsable nada menos que de la masa. Es apasionante porque deberíamos ser capaces de encontrarla gracias al acelerador del CERN. Si lo encontramos, el modelo podría ser completo. Si no, el modelo de partículas se cae. Y abriría la puerta a un nuevo conocimiento. Por eso muchos desean no encontrarlo y hallar, a cambio, otras cosas.

En todo caso, una de las áreas del conocimiento más interesantes y desconocidas.

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Los paquetes de materia

Aunque alguna vez de rebote ha salido, hasta ahora, en la serie de posts de física, siempre he hablado de fenómenos donde, lo que cuenta, son cosas enormes como galaxias, agujeros negros, agujeros de gusano, estrellas… Es el reino de la relatividad.

Pero, en realidad, el universo está constituído por partículas muy pequeñas. Y, si en algún momento os costó imaginaros las cosas que iba contando porque os parecían poco intuitivas, el reino de lo más pequeño es absolutamente imposible de comprender.  Es el reino de la mecánica cuántica.

Dijo Richard Feynman, uno de los físicos cuánticos más relevantes; “Recuéstese y disfrute de lo que le voy a contar. Pero no pregunte de ninguna manera por qué es así, porque entonces se pierde en una calle de la cual ningún ser humano ha vuelto sano”. Así que os invito a hacer justo eso.

A finales del s. XIX, Maxwell investigó los campos eléctrico y magnético e hizo algo importantísimo; juntar los dos conceptos y desarrollar lo que hoy conocemos como electromagnetismo. Pero su teoría tenía algunos problemas…

Hay un objeto teórico que a los físicos les va a las mil maravillas para ciertos experimentos; los cuerpos negros. No, no estoy hablando de la Naomi Campbell. Como sabéis, el negro es ausencia de color. Para que algo sea de color negro ha de absorber toda la luz que incide sobre él. Pues un cuerpo que absorba toda la radiación electromagnética (que incluye la luz) es lo que se denomina cuerpo negro.

Pero cuidado, que absorba toda la luz que incide sobre él, no quiere decir que no emita radiación. Ese cuerpo tendrá una cierta temperatura y el calor también es una radiación electromagnética (como el color). Igual que cuando calentamos un hierro cambia de color, un cuerpo negro a suficiente temperatura, tomaría un color. Así que un cuerpo negro no tiene por qué ser negro.

¿Y para qué demonios les sirve esto a los físicos? Pues se utiliza, por ejemplo, para estudiar las estrellas si les basta una mala aproximación. Los agujeros negros se comportan así. Y la radiación cosmológica de fondo (de la que ya hablamos) es un cuerpo negro casi perfecto.

Total, que cuando el bueno de Maxwell calculaba la radiación de un cuerpo negro le salía infinita. Y ya se veía que eso no podía ser. Pero unos años después, otro físico, Max Planck, descubrió cómo solucionar ese problema. Maxwell estaba suponiendo que la luz era un continuo. Y Planck se dio cuenta que, en realidad, la luz sólo podía llegar en cantidades discretas.

¿Qué significa eso? Imagina que la luz de tu salón. Al lado del interruptor tienes un regulador de la intensidad de la luz. Si quieres hacer una cena romántica, bajas la intensidad. En cambio, si quieres leer, la aumentas. Si, en algún momento, te pareciera que te sobra o te falta un poco de luz, sólo tendrías que ajustar la intensidad de la luz hasta el punto donde tú te sintieras cómodo.

Eso es lo que creía que tenía Maxwell; un regulador en el que podías ajustar la luz tanto como quisiera. De lo que se dio cuenta Planck es que, en realidad, ese regulador sólo tiene unas cuantas posiciones. Imagina que tienes 5 posiciones. Estás preparando la cena romántica y bajas la luz a la posición 1, pero te das cuenta que no veréis los platos. Así que lo subes al 2 y descubres que, entonces, ella podrá ver que no eres tan guapo como pensaba. Vas a tener que decidir con qué posición te quedas porque no existe la posición 1,5. Luego, o jugáis a ver quién apunta mejor a ciegas, o te acabarás quedando a dos velas (y nunca mejor dicho).

En definitiva, lo que descubrió Planck es que la luz llega en cantidades concretas y nunca podías obtener niveles intermedios de cantidad de luz. Eso le llevó a la conclusión era como si llegara en “paquetes”, que llamó cuantos. Y, por tanto, a pesar de que la luz era una onda, también tenía características propias de las partículas. Con ello nace el concepto partícula-onda de la que ya hablamos.

Pero entonces, si la luz llega en cantidades en concreto, ¿por qué nosotros tenemos la percepción de que es un continuo? Es sencillo. Esos paquetes son tan pequeños que nosotros ni siquiera notamos la diferencia entre tener 1 paquete y tener 2. En el símil del regulador de luz, sería como si tuviéramos miles de posiciones intermedias. Seguro que podríamos escoger el nivel de luz adecuado para nuestras necesidades.

Con esta idea nace la física cuántica y estoy seguro que, en aquella época, nadie podía esperar las sorpresas que el futuro nos deparaba.

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Agujeros de gusano y el condensador de fluzo

¿Quién no se ha emocionado de niño viendo al auténtico coche fantástico en la película de Zemeckis Regreso al futuro? Sus idas y venidas al pasado y al futuro hacían las delicias de los que crecimos en los años 80. Pero, ¿cómo funcionaba?

Durante este mes de agosto, en el blog he explicado un montón de cosas básicamente sustentadas sobre la teoría de la relatividad de Einstein. La gente, cuando se habla de viajes en el tiempo, suele pensar en agujeros negros. Pero la verdad es que estos viajes serían mucho más probables en unos primos hermanos del los agujeros negros que son los agujeros de gusano. ¿En qué consisten?

¿Os acordáis de la ameba que pensaba que vivía en un mundo 2D cuando, en realidad, lo hace en un mundo 3D? Vamos a imaginarnos otra vez que somos esa ameba. Un día la madre del niño se pasa a ver la cabaña y ve el plástico que hace de tejado (y donde vivimos) hecho un asco. Así que se lo lleva y lo limpia y, antes de volver a ponerlo en su sitio, lo tiende. Podría ser que, en algún momento, puntos muy alejados del plástico, gracias al pliegue, se toquen. Y nosotros, que somos la ameba y paseamos tan rícamente por su superficie, podríamos pasar de un lado al otro sin darnos cuenta.

Como ya explicamos que el continuo espacio-tiempo puede deformarse, en nuestro universo pasa lo mismo pero en un 4D que percibimos como 3D. Cuando este sufre un pliegue que hace que dos puntos muy alejados del Universo se vean unidos lo llamamos agujero de gusano.

Agujero-de-gusano

Alguno puede decir a estas alturas que yo lo he planteado como viaje en el tiempo y, hasta ahora, no voy más allá que lo que hacen las naves de Battlestar Galactica. Efectivamente, esto es lo que deberían hacer sus naves. Y paciencia, que ahora cuento los viajes en el tiempo.

Imaginad que somos capaces de “abrir” agujeros de gusano. Entonces, algún avispado descubre un negocio; lanza una nave al espacio y abre una entrada en la superficie de la Tierra y otra dentro de la nave. Un montón de turistas van locos a pagar para ver el espacio sin pasar por el incómodo despegue de una nave espacial.

Así que abren el agujero de gusano, pasa la gente, lo cierran y dan un paseo con la nave por el universo. Pero un día, al “botones” del agujero se le olvida cerrar el agujero de gusano antes de mover la nave. Así que, mientras una puerta del agujero está parada en la superficie de la Tierra, la otra está moviéndose por el espacio.

¿Recordáis aquello de que, a velocidades muy altas, el tiempo pasa más despacio? Eso significa que, si la velocidad de la nave es cercana a la de la luz, para la entrada de la nave el tiempo ha pasado más despacio. Esa es nuestra máquina del tiempo.

¿Eso quiere decir que las máquinas del tiempo existen? No tan rápido…  En realidad, los agujeros de gusano son un resultado de las ecuaciones de la relatividad de Einstein, pero están en un punto que, como los agujeros negros, se tocan con la mecánica cuántica. Y es justo ese espacio el que la ciencia está investigando ahora.

Uno de los grandes problemas es justo lo que genera el conflicto en Regreso al futuro; el libre albedrío. Si los viajes en el tiempo son posibles, nada impediría que fueras al pasado y mataras a tu madre impidiendo tu nacimiento. Es lo que Thorne, el físico que más ha trabajado sobre el tema, llamó la paradoja del matricida.

Cuando Thorne presentó su teoría ya intuía que era poco factible. Hawking hizo una conjetura que se conoce como la conjetura de la protección cronológica que, en su habitual tono de broma dijo que “mantendría el mundo a salvo de los historiadores”.

La protección que el Universo podría tener contra ese tipo de objetos estelares es el siguiente; en los espacios vacíos se producen oscilaciones aleatorias. Las que se produjeran dentro del tunel del agujero convertido en máquina del tiempo, según sus cálculos, podrían amplificarse tanto que acabarían por destruirlo.

El problema es que, para saber la intensidad real de esas amplificaciones, y por tanto concluir si los destruyen o no, deberíamos conocer mejor lo que parece que en un futuro unificará las dos grandes teorías actuales; la relatividad y la mecánica cuántica, en lo que se conoce como gravedad cuántica, tema del que ya hablaré más adelante.

Si el tema os interesa os recomiendo el libro donde Kip Thorne explica sus investigaciones sobre agujeros de gusano en Agujeros negros y tiempo curvo. Me encantó porque explica todo lo que suelen explicar estos libros (relatividad, mecánica cuántica, evolución de las teorías a lo largo de los años…) pero, además, añade la experiencia personal en el desarrollo de la descripción de los agujeros de gusano. Con sus pasos adelante y sus pasos atrás, sus miedos a perder la credibilidad delante de la comunidad científica, las malas interpretaciones de la prensa a su trabajo…

Así que ya sabéis qué es lo que provocaba el consensador de fluzo y, de paso, el final de Lost. Siento haberlo reventado [NOTA: Es broma. Cuando escribí este post, Lost aún no había acabado. Básicamente, me anticipaba al final. Errando mucho, por cierto.]

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Principio de indeterminación

¿Os acordáis de cuando llegabais a los temidos exámenes de matemáticas? Imaginad que el profesor hubiera llegado con los enunciados de los problemas y, una vez repartidos, os hubiera dicho algo así como; delante vuestro tenéis una serie 5 de problemas. Con que hagáis tres basta porque, de hecho, sólo 3 tienen solución. El tiempo empieza… ¡YA! ¡Menudo estrés! ¿A cuáles dedicas tu tiempo?

Eso es algo que le pasa a los matemáticos, lo llaman teorema de la incompletitud de Gödel y tiene mucho con que en el enunciado se hable del propio problema. Si yo digo; “Siempre miento”, además de dejar de leer el blog ipso facto, ¿podréis decirme si es cierto o falso? Si siempre miento, la afirmación debiera ser falsa. Pero, de ser verdad, debería mentir siempre.

Esto, que en este caso parece muy obvio, no siempre tiene por qué estar tan claro. Tiene mucho que ver con una cierta autorreferencia en el enunciado. Lo que los informáticos llaman (y tanto temen) recursividad. Mmmm… A los informáticos seguro que les ha recorrido un escalofrío todo el cuerpo.

Pues por si los informáticos y los matemáticos se sentían solos, a los físicos les pasa algo parecido con lo que se conoce como principio de incertidumbre o indeterminación. Y si ya altera la idea de que no todos los problemas puedan ser resueltos, cosa que acaba con la esperanza científica de explicarlo todo, lo que les pasa a los físicos es aún más doloroso.

Pensad que, para explicar lo que un objeto (o partícula) va a hacer en un futuro próximo, bastaría con saber su posición y su velocidad. Me explico. Si yo sé dónde está un coche y la velocidad que lleva, podré calcular cuánto tardará en llegar a un cierto punto.

Y un día Heisenberg, un gran físico cuántico, se dijo; vale, entonces, quiero saber la posición de un electrón para poder predecir qué va a pasar con una partícula en concreto. Pero, ¿cómo? Un electrón es algo muy pequeño. Imagina que, para verlo, lanzamos un fotón (la unidad mínima de luz posible). El problema es que, aunque el fotón sea pequeño, el electrón también lo es. E, inevitablemente, lo desplazaremos y variaremos su velocidad.

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Es como si tuviéramos una canica que, para verla, sólo tenemos la opción de lanzar otra y que choque contra ella. Está claro que la canica de la que queremos saber la posición y velocidad verá variada tanto la velocidad como la posición. Y la solución no pasa por mejorar nuestras máquinas porque no tiene nada que ver con la sensibilidad de estas, sino con cómo es la materia. Porque el observador altera lo observado. Ya vimos un ejemplo de esto, ¿no?

Es un cambio enorme en la forma de entender la física. Hasta el s. XX, la física había sido determinista; sabiendo la posición y la velocidad del coche y podíamos determinar dónde estaría pasado un tiempo. Pero ahora es probabilística, porque lo más que sabemos es con qué probabilidad está una partícula en un punto.

Además de dar un vértigo horrible desde el punto de vista intelectual, el principio de indeterminación permite cosas increíbles. Un fenómeno curioso es que impide que haya un sólo punto en el Universo vacío, libre de partículas. ¿Por qué? Porque este principio sólo nos permite saber la probalidad de lo que hay, pero restringe la certeza. Y, de haber un punto vacío,sabríamos lo que hay (nada). Por tanto, no es posible.

Recuperemos al profesor de matemáticas, pero esta vez dando clase de física (era típico que el profesor de ciencias repitiera en alguna asignatura). Llegaba a clase y, sin decir nada antes, soltaba; “a ver, problema; lanzamos una pelota desde un sexto piso. Cuando bote, ¿a qué altura llegará?”. Y entonces cometías aquel error imperdonable de que la energía no fuera igual al principio que al final. Y tocaba escuchar aquel peñazo de frase; “niño, la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Pues eso es porque tu profesor no conocía las partículas virtuales, que se distinguen de las reales básicamente porque se dedican a saltarse a la torera todas las leyes de conservación, entre ellas la de la energía. El problema es que tienen una vida tan corta que, por culpa del principio de indeterminación, no somos capaces de detectarlas (aunque sí podemos medir sus efectos).

Años después de salir del colegio, cuando descubrí esto, me quedé con las ganas de volver al colegio y decirle a aquel profesor, que en mi caso tiene nombre y apellidos, que mi pelota era virtual y que, por eso, no sólo no cumplía la ley de conservación de la energía sino que, además, era imposible saber a qué altura había llegado. Sí, me hubiera echado de clase, pero me hubiera quedado tan a gusto…

personal

Engañar a un electrón

El otro día, hablando con Amaia de yunu, me pidió que le explicara el experimento ese que en el que un electrón acaba pasando por dos sitios a la vez. Intenté explicarlo, pero no sé hasta qué punto lo conseguí.

Se conoce como el experimento de Young, el nombre de un tipo de hace más de 200 años. Poco antes, Isaac Newton, probablemente el físico más importante de toda la historia, había impuesto cátedra en casi todo. Supongo que por eso a todas las organizaciones pseudo secretas les encanta decir que era su gran jefe en aquella época.

Entre muchas otras cosas, Newton decía que la luz eran un montón de particulitas y como buenas partículas viajaban en línea recta (en algún momento entrará aquí un físico y me va a poner de vuelta y media. En fin…). Pero la cosa es que, en aquella época, algunos defendían que la luz eran ondas. Y ya sabéis lo que pasa cuando tiráis una piedra a un lago, que las ondas viajan en todas las direcciones y, además, interfieren entre ellas, es decir, que cuando se cruzan, o se suman (y la ola se hace más grande) o se anulan (y la ola desaparece).

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Y ahí llega Young, más chulo que un ocho, proponiendo un experimento que daría la respuesta definitiva; ¿es la luz una partícula o una onda? Sé que es largo, pero lo bueno, como en una buena peli, llega al final. Así que aguantad un poco.

Se le ocurrió la siguiente solución. Proyectamos luz sobre una pared con dos rendijas que dan a una habitación oscura. ¿Qué pasará si son partículas? Pues que en la pared de enfrente obtentendremos dos franjas de luz, porque hemos dicho que las partículas se desplazan en línea recta.

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Pero, en cambio, si son ondas… ¡Ah, amigo! Si son ondas, estas se desplazan en todas las direcciones y, además, interfieren. Así que lo que veremos en la pared de enfrente serán franjas de luz y franjas de oscuridad.

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Así que montó el circo con sus amigos en la Royal Society que, por cierto, montó él con otros, y observaron lo que pasaba. ¿Y qué fue? Pues que el bueno de Young tenía razón.

Desde entonces hasta principios del s. XX la cosa quedó clara. La luz es una onda y se comporta como tal. Pero el problema es que la realidad es muy tozuda. Y muchos experimentos entraban en contradicción con esa forma de entender la luz. En especial en química, donde en muchos casos, la luz parecía empeñarse en comportarse como una partícula.

Así que Gilbert N. Lewis le puso nombre a la criatura (fotón), y Planck lanzó una hipótesis según la cual la luz sólo interacciona con la materia en cantidades discretas. Eso no quiere decir que la luz sea vergonzosa, sino que lo hace en intensidades concretas. Es como si la luz llegara en paquetitos (los físicos lo llaman cuantos). Tú puedes tener un paquetito o dos, pero nunca 1 y medio. Y claro, eso parece más propio de las partículas que de las ondas.

Total, que Claus Jönsson decidió que había que repetir el experimento de Young. Eso ya fue en 1961, por si alguno piensa que hablo de algo antiquísimo, y se hizo con electrones. Y, en este caso, se añadió algo al experimento. Se hizo pasar a los electrones por una sola rendija. Si Young estaba en lo cierto, lo que se hubiera obtenido es un punto de mucha luz en el centro de la pantalla y luego, poco a poco, a izquierda y derecha la luz hubiera ido reduciendose. Claro, era una onda…

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Pero lo que se obtuvo fue una sola franja de luz, ¡lo que indicaba que eran partículas!

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En este punto los físicos ya aceptaban que las partículas tenían una doble naturaleza; por un lado de las de onda y por otra la de particula, sin entender muy bien el por qué. Y en un alarde de querer comprender esta locura se dijeron; lo que aquí está pasando cuando ponemos 2 rendijas es que, como lanzamos tantos electrones, unos pasan por una rendija y otros por otra y, pasada la rendija, entonces actúan como onda, interfieren y pasa lo que pasa. Dicho con otras palabras; pensaron que antes de la rendija se comportaban como partículas y después de la rendija se comportaban como ondas.

Solución; ¿Por qué no lanzamos los electrones de uno en uno? Entonces no tendrán con quien interferir y, necesariamente, veremos cómo los electrones generan sólo dos franjas o, lo que es lo mismo, se comportarán como particulas. O sea, esto;

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Y llegamos a lo bueno… A los físicos se les quedó cara de boniato cuando vieron que, en realidad, los electrones lanzados uno a uno, volvían a interferir. Es decir, que seguían obteniendo lo de esta imagen;

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Pero, ¿con quién interferir si cada electrón viajaba solo? Sólo podían interferir… ¡consigo mismos! Y ello llevaba a una conclusión necesaria. ¡El electrón debía pasar por las dos rendijas a la vez!

¡Eso no podía ser! Pero los físicos, que como buenos humanos pensaban que eran los más listos del parque, se dijeron; vamos a tomarle el pelo a los electrones estos. Muy bien, vamos a observar justo antes de la rendija si, antes de entrar, se están comportando como particulas o como ondas. Y el experimento se repitió.

Y sucedió algo mágico, casi maravilloso pero, a la vez, aterrador. El electrón sólo pasaba por una de las dos rendijas. Pero cabía esperar que, cuando alguien mirara a la famosa pared donde chocan los electrones, el resultado fuera el mismo que en la vez anterior. Pero no. Esta vez aparecían las 2 franjas que esperaron cuando lanzaban los electrones uno a uno. Pasada las rendijas, se estaban comportando como partículas.

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Y ese es uno de los resultados más increíbles de la física, al menos para mí. Es como si el electrón supiera que alguien le observa, lo cual parece absurdo. O no… En realidad, lo que quiere decir es que el observador afecta al resultado del experimento. Es de las cosas más bellas que he tenido la oportunidad de conocer porque me abruma.

Estoy seguro que, si habéis llegado hasta aquí, estaréis de acuerdo conmigo en lo mágico que resulta todo. Alguno puede pensar que esto es un rollo de los físicos para pasar el rato pero que la realidad no es así. Mirad este vídeo. La primera parte es un ejemplo de esto.

Y para acabar, os dejo un vídeo que explica todo esto de forma genial para niños sin tanto rollo histórico. Es de donde he sacado las imágenes. Vale mucho la pena y deja las ideas muy claras.

Mis queridos amigos, bienvenidos al misterioso mundo de la mecánica cuántica.