Bucando a Higgs

El próximo 4 de julio los científicos del CERN darán a conocer al mundo sus últimos avances sobre la investigación del bosón de Higgs. Esta partícula ha levantado mucha expectación desde que se anunciase su estudio en Ginebra hace ya un tiempo. De demostrarse la existencia del esquivo Higgs, la teoría estándar de la Física quedaría algo más completa.

Dicha teoría establece que hay dos típos de partículas que costituyen todos los elementos del cosmos, los fermiones, que serían los ladrillos básicos de la materia, y por otro lado los bosones, responsables de transmitir las fuerzas de la naturaleza. Los fermiones constituyen los protones y neutrones que a su vez forman los átomos. Los campos en los que actúan los bosones son la gravedad, el espectro electromagnético del cual el ser humano percibe la luz, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. El Higgs es un bosón especial que de momento existe en el plano teórico y que actúa en un ambiente llamado campo de Higgs donde estas partículas se extienden por todo el universo. Cualquier partícula elemental como las anteriormente mecionadas, que pasase a través de este campo adquiriría masa convirtiendose en materia.

El problema radica en que el bosón de Higgs tiene una vida extremadamente corta y acaba desintegrándose en otros elementos subatómicos al desaparecer. Conseguir probar la existencia de Higgs supone confirmar la manera en la que la materia se crea. Con este mismo fin el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra recaba datos sobre los choques que se producen en él. Al romper elementos tan pequeños , este gran círculo de 27 kilómetros pretende encontrar el bosón entre las ruinas de este auto de choques cuántico.

El juego de la vida.

El tema de hoy no tiene una relación directa con la astronomía, sin embargo parte de una premisa relacionada con la misma que se planteó hace tiempo para entender el universo. La conocida frase de descartes "pienso, luego existo" es lo que quiero poner en duda.

La Física es la herramienta que el hombre tiene para explicar cómo ocurren los eventos en el universo. Describe el funcionamiento de las leyes naturales e intenta predecir como incidirán en un futuro sobre un objeto determinado. Sin embargo no explican el porqué de lo que ocurre en la naturaleza. El hombre intenta dar significado a sus experiencias interpretando lo que recibe a través de su cerebro, y así explica su realidad. La manera en la que se percibe está determinada por las leyes naturales del entorno en el que se desarrollan las experiencias recogidas, luego estas leyes determinan la realidad perceptible.

En un intento de entender porqué y no cómo las cosas son de la manera que son, en 1970 John Conway desarrolló un experimento teórico muy interesante, lo llamo 'El juego de la vida'. Este experimento consistía en jugar a ser Dios para entender como se comportaría un universo hipotético con unas leyes establecidas por el propio John. Para hacerlo simple John creó un universo de 2 dimensiones, un tablero de ajedrez infinito. Sólo había dos tipos de casillas, las verdes que significaban vida y las negras que significaban muerte. Después estableció tres leyes:

1- Un cuadrado vivo (verde) con dos o tres vecinos vivos (verdes) sobreviviría.

2-Un cuadrado muerto (negro) con exactamente tres vivos constituiría un ser vivo.

3-La última ley englobaba el resto de casos en los que la vida sobrevive o perece en su infinidad de posibilidades.

Después de analizar los resultados, la combinación de casillas mostraba patrones en los que obviamente la vida había salido adelante simplemente teniendo en cuenta la posibilidad de maniobras que ofrecía ese universo de 2 dimensiones (atrás-delante e izquierda-derecha) a la casilla verde. En algunos casos se habían formado en las infinitas combinaciones, agrupaciones de casillas que representaban seres vivos, y que matemáticamente podían elegir en que dirección desplazar sus casillas para evitar la muerte. Es decir, tenían inteligencia artificial a un nivel muy básico. Las casillas sabían elegir la opción más adecuada para su supervivencia como respuesta a un supuesto concreto.

Volviendo al punto inicial y tomando las casillas como ejemplo, se puede decir que un universo como el que ocupamos con cuatro dimensiones ofrece un abanico de posibilidades mucho más complejo, del cual el ser humano ha sido uno de los resultados posibles. El hombre se caracteriza del resto de las criaturas por su capacidad de pensar, algo que lo convierte en un ser diferente del resto, se trata de un ser vivo consciente de su propia existencia y con capacidad de razonar. Sin embargo, no somos más que casillas aglomeradas en un sistema más complejo que el de John, por lo que podríamos deducir que lo que el ser humano entiende por pensar y razonar, no es más que un computo de decisiones óptimas tan complejo que es imposible llegar a entender debido a su avanzada matemática, y que por simplificar llamamos libre albedrío. En otras palabras, la esencia humana, esa habilidad para medir nuestro entorno y decidir, estaría sujeta a normas que una vez entendidas podrían explicar el comportamiento humano y predecir cualquier decisión que tomásemos. Este descubrimiento nos arrebataría lo que tan especiales nos hace, dejándonos como objetos con una capacidad de actuar frente a cualquier estímulo, pero siendo objetos al fin y al cabo. ¿Es entonces el pensar algo artificial y ya programado que nos hace creer ser algo que en realidad no somos?

¿Son los átomos lo más pequeño?

Aunque para aquellos que son duchos en física lo que estoy a punto de escribir suene a tontería, mucha gente desconoce que la materia esta formada por partículas mucho más pequeñas que los átomos. De hecho hay muchos tipos de partículas subatómicas flotando por todos lados, y cada una tiene su función en la naturaleza.

Existen dos grandes familias de partículas subatómicas, los fermiones y los bosones. Los fermiones son la base de toda la materia, mientras que los bosones son las partículas que transmiten las diferentes fuerzas que dominan la naturaleza. De este modo los fermiones se agrupan para formar los elementos de un átomo. Los quarks son fermiones que juntos crean neutrones y protones, que constituyen el núcleo del átomo, mientras que los electrones son otro tipo de fermión necesario para dar consistencia al átomo.

Los bosones, la otra gran familia, se ocupan de transmitir las fuerzas de la naturaleza cuando pasan a través de las particulas de materia que he citado, así pues, la gravedad se transmite a través de gravitones y las ondas electromagnéticas como la luz, a través de los fotones.

Naturalmente las divisiones entre estas familias de partículas son mucho más complejas, pero tener una idea general de qué son y para qué sirven nunca está de más.

Antes de antes

¿Qué había en el espacio antes del Big Bang? Es una pregunta que seguramente toda la gente se haya hecho alguna vez y, que seguramente no tenga una respuesta totalmente precisa. Pero lo cierto es que si partimos de que el universo era un punto diminuto que contenía toda la materia en su interior, la respuesta puede hacerse más comprensible.

La naturaleza está compuesta por tres dimensiones espaciales y el tiempo, pero al igual que ocurre en los agujeros negros, cuando el espacio-tiempo se condensa de manera infinita en un punto casi inexistente llamado singularidad, la dimensión temporal se mezcla con las espaciales, dejando de ser una magnitud separada de las otras tres, y pasan a ser una sola cosa. Viene a ser lo que pasa con las dimensiones restantes en la teoría de cuerdas, estas son tan pequeñas que son inexistentes para la humanidad. De modo que si el universo empezó al estallar esa singularidad, no tiene sentido preguntarse qué había antes de la misma, ya que el tiempo no existía, ni tampoco el espacio. Vendría a ser algo similar a preguntarse que hay al sur del polo sur. El espacio y el tiempo son magnitudes que aparecieron después del Big Bang, antes de el no existían, por lo que es imposible plantear la pregunta anterior en ese escenario.

Eter luminoso

En esta ocasión quiero hablar sorbe un elemento que me ha llamado atención desde hace años, y sobre el cual hace poco he leído, se trata del éter luminoso.

Durante el siglo XIX los físicos pensaban que la luz, al igual que el sonido necesitaba un medio para propagarse. Sin embargo, esto no era posible en el espacio, ya que está vacío. De modo que supusieron que la luz debía expandirse a través de un elemento que era imposible detectar para el ser humano, pero que llenaba todo el universo. Venía a ser algo así como el tejido del espacio mismo, y a ese elemento lo llamaron éter. Sin embargo, experimentos llevados a cabo años después para medir la velocidad de la luz, demostraron que no existía tal elemento, con lo que se rompió la teoría de que la luz necesitaba un medio para poder viajar a través del espacio.

Flujo del tiempo

Anteriormente había hablado de cómo el tiempo no es una magnitud absoluta, sino que fluye de manera diferente si se toma en cuenta cómo inciden en el otros elementos como la gravedad.

Dependiendo también del sistema, o lugar desde el que se efectué la medición del tiempo, con respecto a otro sistema, los resultados que uno y otro medidor pueden conseguir sobre un mismo evento pueden ser diferentes. Para que este efecto sea notable, es necesario utilizar la luz, porque que las diferencias con respecto a la velocidad que toman otros objetos es muy grande y al mismo tiempo su velocidad es siempre constante.

Si viajamos en un cohete espacial a 50.000 km/h en el espacio nuestra sensación será la de viajar quietos, mientras que la sensación que tendría un espectador fuera del cohete sobre nosotros sería que nos movemos muy rápido. Pasa igual que en con la tierra. Si estamos tumbados en la cama pensamos que estamos quietos, pero en realidad nos estamos moviendo a miles de kilómetros por hora en el espacio con nuestro planeta. Ahora bien, si en esa nave disparamos una bala hacia delante, la bala se moverá alejándose de nosotros a la velocidad normal de una bala disparada. Sin embargo, para ese observador que nos miraba de fuera, la bala no se movería a los pocos kilómetros por hora con la que la hemos disparado, esta se movería a la velocidad de la nave más la del disparo. Dejando un hueco abismal entre la velocidad con la que percibimos la bala nosotros y el.

Ahora que ya sabemos que la realidad que percibimos es diferente dependiendo del observador, pasamos al mismo ejemplo utilizando la luz en vez de la bala. Si viajando en el cohete encendemos una linterna que proyecta un haz de luz a 300.000 km/seg, la luz viajará con respecto a nosotros a esa velocidad. Usando la lógica anterior, el observador externo debería ver la luz viajando más rápido que nosotros, a 350.000 km/seg, pero no es así. La velocidad de la luz es cosntante y no puede ser superada por nada, así que en este caso ambos observadores verían la luz moverse a la misma velocidad.

Esto significa que siempre veremos la luz viajar a la misma velocidad. Pasamos a la última parte del experimento, la que nos enseñará el flujo irregular del tiempo. Ahora estando dentro del cohete que viaja a 50.000 km/h, nosotros encendemos la linterna desde el suelo. La luz tardará en llegar al techo pongamos que un segundo. La luz en un sólo segundo a recorrido 5 metros de altura. Ahora el espectador de fuera, ve como nosotros hemos encendido la linterna, y en vez de ver que en un segundo, la luz ha recorrido esos 5 metros del suelo al techo, habrá visto como el haz de luz ha recorrido en el mismo tiempo varios cientos de metros. Los metros que hay desde que la luz sale del suelo del cohete hasta que llega al techo mientras se desplaza dentro del cohete recorriendo los metros que este vuele en ese segundo.

En definitiva, en el mismo tiempo, el mismo objeto, en este caso la luz, ha recorrido distancias direntes para dos personas diferentes. Es decir, para cada uno el tiempo ha fluido a una velocidad distinta al estar sujetos a sistemas diferentes. Por la misma razón el viajero de dentro del cohete sentira que el tiempo con respecto a su compañero de fuera pasa más despacio. Os dejo un vídeo con un ejemplo más gráfico abajo.

Teoría de cuerdas

Uno de los grandes problemas de la física consiste en aunar en una sola teoría las cuatro fuerzas que rigen el universo: fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte, gravedad y electromagnetismo. Todas menos las gravedad han podido ser unificadas para explicar los fenómenos naturales que ocurren en el universo. El problema radica en que la gravedad no puede explicar todos los eventos relacionados con ella a niveles subatómicos ya que no concuerda con los marcos teóricos de las otras tres fuerzas a niveles cuánticos.

Para intentar explicar la naturaleza mediante otra teoría existe la teoría de cuerdas. Este marco conceptual mantiene que la materia en vez e estar formada por átomos, esta formada por minúsculas cuerdas o fibras, que enroscadas a su alrededor contienen más dimensiones a parte de las 3 físicas que conocemos y del tiempo. Según esta teoría el total de dimensiones ascienden a 11, pero al estar contenidas en esas cuerdas diminutas son imposibles de ver para nosotros. El número de dimensiones contenidas en cada fibra varía dependiendo del espacio interno de las cuerdas, con lo que la combinación de dimensiones es casi infinita. Este amplio abanico de posibilidades implica que aún existen leyes físicas que desconocemos y a la vez son un rayo de esperanza para explicar la interacción de las cuatro fuerza primordiales del universo. El hecho de que dependiendo de las combinaciones de diferentes cuerdas lleve a la existencia de leyes físicas no presentes en nuestro universo significa que existen tantas realidades alternativas como universos factibles resultantes de esas combinaciones.