Nueva Física

EDAD MODERNA (Newton)

1.- Espacio y tiempo absolutos (absoluto = lo que está separado, suelto) = marcos de referencia absolutos.

2.- Materia y fuerzas-energía son dos realidades distintas.

3.- La luz (partículas para Newton) puede acelerar y desacelerar.

Ejemplo: alud de nieve. Un observador “x”, quieto respecto de otro observador “y”, mide que la nieve desciende a 6 m/s. El observador “y”, en movimiento respecto de “x” y corriendo a 4 m/s para escapar de la avalancha, mediría que la nieve desciende a 6 – 4 = 2 m/s.

Esto se cumpliría igualmente si en vez de nieve fuera luz.

EDAD CONTEMPORÁNEA

1.- Descubrimiento: velocidad constante y finita de la luz (no se propaga de modo instantáneo, sino a unos 300.000 Km/s).

En Ejemplo anterior: si en vez de “nieve” fuera “luz” (ej. un haz de fotones emitido por un láser), los dos observadores “x” e “y” tendrían que medir la misma velocidad de la luz, no distintas.

Este descubrimiento contradice a Newton. Einstein resuelve con:

2.- Teoría de la Relatividad Especial (explica el universo a gran escala -macrocosmos-; sus efectos son apreciables a grandes velocidades; no incluye la gravedad; todas las magnitudes físicas están relacionadas, son relativas las unas a las otras, no se puede alterar una sin alterar las otras).

Ahora el marco de referencia absoluto = velocidad de la luz.

Nada en el universo sucede de modo instantáneo (vel. infinita); nada en el universo puede superar la velocidad de la luz.

El espacio y el tiempo son relativos, dependen del estado de movimiento (movimiento uniforme, libre de fuerzas) de los observadores. Estos observadores no coincidirán en sus mediciones de tiempo y distancias, pero no hay medición privilegiada, todas son equivalentes (y calculables desde el punto de vista de los demás observadores). Ahora bien, todos coincidirán en la velocidad de la luz, es decir, las leyes de la física son siempre las mismas para todos los observadores en movimiento (uniforme, constante) los unos respecto de los otros.

Las diferencias en medidas no se deben a que nuestros aparatos de medición sean defectuosos; son propiedades del espacio y tiempo mismos. A altas velocidades el tiempo se dilata (transcurre más lento) y el espacio se contrae (distancias o longitudes se acortan). Siguiendo con la idea de que todas las magnitudes físicas están relacionadas, no se puede alterar el tiempo sin alterar el espacio, por eso la nueva Física habla de una sola entidad: el espacio-tiempo.

Nuevamente, desde la idea de la relación de unas magnitudes físicas con otras, Einstein relaciona energía y masa en su famosa fórmula E = mc². Masa y energía son convertibles. Como sabemos, para incrementar la velocidad de un objeto de masa no nula se necesita energía, pero al aplicarla aumenta la masa, por lo que se requiere más energía para acelerarlo. Para acelerar el objeto hasta alcanzar la velocidad de la luz se necesitaría un impulso de energía infinita, lo que es imposible (la luz no tiene ese problema porque los fotones no tienen masa).

En cualquier caso, esta teoría contradice a Newton, cuya Ley de Gravitación Universal supone que la fuerza de la gravedad es instantánea, que se transmite a mayor velocidad que la velocidad de la luz, lo que no es posible. Einstein resuelve con:

3.- Teoría de la Relatividad General (incluye la gravedad; sus efectos son apreciables con grandes masas).

Siguiendo con la idea de que las magnitudes físicas están estrechamente relacionadas unas con otras, Einstein identifica movimiento acelerado y gravedad.

Ejemplo: una persona encerrada en un ascensor parado en la 4ª planta siente una fuerza (gravedad) que le empuja hacia abajo (de hecho, si abre la mano en la que lleva las llaves de su piso, verá que caen al suelo del ascensor). Pues bien, si el ascensor, en lugar de estar parado, estuviera en el espacio exterior moviéndose hacia arriba con movimiento uniformemente acelerado, la persona sentiría exactamente lo mismo, y no podría saber en cuál de las dos situaciones descritas se encuentra.

A su vez, Einstein relaciona la gravedad (= mov. acelerado) con la curvatura del espacio-tiempo. La aceleración (= gravedad), que supone incremento de masa o energía (por E = mc²), moldea o curva el espacio-tiempo. La gravedad es consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo. Este curvamiento no es instantáneo (a diferencia de la gravedad de Newton), sino que se extiende a la velocidad de la luz.

Ejemplo: si en una superficie de goma colocamos una canica grande, la superficie se curvará, se hundirá. Si a continuación añadimos varias canicas más pequeñas, estas se pondrán, literalmente, en órbita alrededor de la grande (seguirán trayectorias rectilíneas que, en un espacio curvado, resultarán ser curvas). El resultado sería el mismo que el que predice Newton para el comportamiento de nuestro sistema solar, incluso resultan predicciones más exactas con la teoría de Einstein.

Y, nuevamente, como todo está relacionado (es relativo a) con todo, en un campo gravitatorio fuerte el tiempo también transcurre más lentamente.

Todos estos conceptos dan idea de un universo autocontenido, finito. Todas las magnitudes físicas, incluido el espacio-tiempo, son relativas las unas a las otras. Fuera del universo, no tiene sentido hablar ni de espacio-tiempo ni de nada.

4.- La Mecánica Cuántica (explica el comportamiento del universo a muy pequeña escala -microcosmos-; sus efectos son apreciables a distancias muy cortas, subatómicas).

a.- Teoría estándar de la materia

Partículas materiales puntuales (consideradas como puntos): electrones, distintos tipos de quarks, neutrinos, muones, etc. Con masas y cargas conocidas experimentalmente, pero se ignora por qué esas magnitudes. Cada partícula tiene su antipartícula (con masa idéntica pero opuesta en algún aspecto, como su carga eléctrica); al contactar, partícula y antipartícula se aniquilan produciendo energía.

Partículas portadoras de fuerza: Gluón (fuerza nuclear fuerte; mantiene unidos a los quarks dentro de protones y neutrones); Bosones W y Z (fuerza nuclear débil; responsable de la desintegración de sustancias como el uranio); Fotón (fuerza electromagnética; atracción o repulsión determinada por la carga eléctrica); Gravitón (fuerza de gravedad; atracción determinada por la masa). De estas fuerzas, se ha conseguido unificar la electromagnética con la nuclear débil (serían la misma fuerza a temperaturas muy elevadas). La unificación de la nuclear fuerte y la débil aun está por confirmar. La gravitatoria, de momento, quedaría aparte, sin unificar.

¿Cómo se producen las interacciones por las fuerzas? Básicamente por un intercambio de partículas. Por ejemplo, la fuerza electromagnética o interacción entre dos partículas cargadas surge de que dichas partículas se “disparan” fotones entre ellas mismas, lanzándolos y devolviéndolos. No acción a distancia.

Esta Teoría estándar incorpora la Relatividad Especial (no la General) y la Mecánica cuántica.

b.- La hipótesis de Planck

Fue sugerida porque las leyes de la época sobre termodinámica y electromagnetismo (para Maxwell la luz = tipo de onda electromagnética) predecían resultados ridículos, que ahora vamos a obviar.

Para resolver, Planck postuló que la energía no se transmite de modo continuo, sino “a saltos”, en “paquetes” de energía o cuantos, cuya cantidad de energía mínima es proporcional (h es el factor de proporcionalidad propuesto por Planck: la constante de Planck, de valor muy pequeño) a la frecuencia de la onda.

El valor de “h” es tan pequeño que parece que podemos hacer que cambie de modo continuo la energía de cualquier onda, pero no es así. La energía varía a pequeños “saltos”, tan pequeños que la variación parece continua.

Esto quiere decir que se iba abriendo paso otra vez la idea de que la luz y otras ondas electromagnéticas son como partículas (cuantos).

c.- La dualidad onda-partícula

Para el sentido común, onda y partícula son dos realidades distintas. Concebimos la partícula como algo corpóreo, sólido, un cuerpo, aunque diminuto. La onda la concebimos como una especie de transmisión inmaterial (incorpórea) de energía. En la nueva Física, sin embargo, no se distinguen.

Efecto fotoeléctrico (explica que la luz = partículas):

Se trata de un fenómeno conocido: ciertos metales, cuando incide sobre ellos radiación electromagnética de luz, emiten electrones.

Einstein lo explica utilizando la hipótesis de Planck: la luz es un flujo de diminutos “paquetes”, “cuantos”, diminutas partículas (más tarde se llamaron “fotones”). Un electrón salta fuera de la superficie del metal si lo golpea un fotón con energía suficiente (energía proporcional a la frecuencia de la onda luminosa -tomando como factor de proporcionalidad la constante de Planck, h).

Experimento de la doble rendija (explica que la luz = ondas):

Se proyecta luz hacia una pantalla en la que se han abierto dos rendijas, la luz pasa por ellas y, en otra pantalla fotosensible colocada detrás, aparece coloreada la típica impresión de bandas verticales que corresponde al espectro de interferencia propio de ondas.

Sorpresa: al proyectar fotones (partículas) de uno en uno, vuelven a aparecer en la pantalla fotosensible las citadas bandas propias de una onda (como si el fotón pasara, al mismo tiempo por las dos rendijas).

Otra sorpresa: si en vez de fotones se proyectan electrones (partículas) el espectro de interferencia propio de ondas sigue apareciendo.

Conclusión: la dualidad onda-partícula no solo es aplicable a la luz, sino también a la materia.

¿Por qué no se corresponde esta idea con nuestro sentido común y experiencia ordinaria de la materia o cuerpos como algo firme y sólido? Porque la longitud de las ondas de materia es proporcional a la constante de Planck, de valor muy pequeño, por lo que no es apreciable en la vida y percepción cotidianas.

En cualquier caso, todo esto nos lleva a la idea de que, dada su naturaleza ondulatoria (de ondas), la materia debe explicarse de forma probabilística. Esto tiene que ver con el siguiente principio (el de incertidumbre).

d.- El Principio de Incertidubre

Para determinar, por ejemplo, dónde está un electrón (su posición), tendríamos que iluminarlo con luz (fotones), pero esto alteraría su movimiento o velocidad.

Utilizando entonces luz de menor frecuencia (fotones con menos energía, pero hasta cierto límite, porque sabemos que la luz se transmite en pequeños paquetes o cuantos), podríamos minimizar esa influencia sobre la velocidad, pero entonces perderíamos información sobre su posición.

Si por el contrario utilizamos luz de mayor frecuencia (fotones con más energía) para localizar la posición del electrón con más precisión, entonces perderíamos información sobre su velocidad, que resultaría muy alterada.

Heisemberg, descubridor del llamado “principio de incertidumbre”, encontró la relación matemática entre la precisión de las medidas de ambas entidades (posición y velocidad), cada una inversamente proporcional a la otra. Indeterminación similar se da en otros pares de magnitudes, como por ejemplo cantidad de energía/momento en el tiempo.

La indeterminación no se debe a lo defectuoso de nuestros aparatos de medida; es un hecho que se da en la naturaleza a escala micro.

Consecuencia: no se sostiene el Determinismo (edad moderna) ya que no es posible conocer el estado completo del universo en un instante determinado, por lo que no se puede predecir con exactitud el estado del universo en instantes sucesivos.

Einstein no aceptó esta idea. Seguía pensando que el electrón tendría una posición y velocidad determinadas, aunque nosotros solo pudiéramos calcular su probabilidad.

Resulta que no es así. En la Mecánica Cuántica, si pudiéramos capturar un electrón en una caja y la aplastáramos para tenerlo bien localizado (posición), el electrón se pondría cada vez más frenético sin intervención de ningún observador; se movería chocando con las paredes con una velocidad cada vez más frenética e impredecible. Este tipo de comportamiento es habitual en el universo micro.

Conclusión: a distancias subatómicas y escalas de tiempo muy breves el universo es un lugar bastante frenético, donde se dan grandes fluctuaciones de los campos energéticos y distorsiones graves de la geometría del espacio-tiempo. Esto contradice la Teoría de la Relatividad General, para la cual la gravedad es la curvatura continua (no distorsiones) del espacio-tiempo.

5.- La situación actual y la Teoría de las Cuerdas

La Relatividad General (no incorpora el Principio de Incertidumbre) y la Mecánica Cuántica (no incluye la gravedad) no pueden ser ambas al mismo tiempo verdaderas. Esto en principio carece de importancia porque cada teoría explica y se aplica a ámbitos distintos: la Relatividad se ocupa del universo a gran escala y la Mecánica Cuántica se ocupa del universo subatómico.

Ocurre, sin embargo, que existen dos situaciones, que la propia Relatividad predice, en las que sería necesario utilizar las dos teorías:

a.- Agujeros negros: colapso gravitatorio de una estrella. Toda su masa concentrada en una región tan pequeña que la curvatura del espacio-tiempo sería tan grande que nada (ni la luz) podría escapar de su atracción gravitatoria.

b.- Big bang (origen del universo): Se ha confirmado experimentalmente que el universo se expande en todas direcciones, lo que quiere decir que posiblemente hubo un momento pasado en el que todo estuviera comprimido en un punto de densidad infinita, tamaño nulo e infinitamente caliente, momento que consideramos el origen del universo.

En estas dos situaciones sería necesario utilizar las dos teorías porque, por las enormes masas consideradas, los efectos gravitatorios serían importantes (Teoría de la Relatividad); al mismo tiempo, por los tamaños y distancias minúsculos considerados, los efectos cuánticos también serían importantes (Mecánica Cuántica).

Es por esto que los físicos se han empeñado en encontrar una Teoría Cuántica de la Gravedad.

Teoría de las Cuerdas

Es una teoría en la que trabajan hoy muchos físicos porque creen que serviría para explicar el universo a gran escala y también el microcosmos (universo subatómico), es decir, podría conciliar la Teoría de la Relatividad General con la Mecánica Cuántica.

Hipótesis: los elementos constitutivos elementales del universo no son partículas puntuales, sino objetos similares a cuerdas unidimensionales muy pequeñas (longitud de Planck) y todas iguales (de la misma clase o sustancia). Las diversas pautas de vibración (perturbación ondulatoria) de estas cuerdas serían lo que hasta el momento se conocían como los diversos tipos de partículas (electrones, fotones, quarks, etc.).

Ventajas que se vislumbran:

a.- Las distintas pautas de vibración podrían explicar las magnitudes conocidas experimentalmente e incluidas en la Teoría estándar de la materia, como las masas y cargas de los diversos tipos de partículas, que hasta hoy parecen arbitrarias.

b.- La Teoría de Cuerdas podría, por fin, incluir la gravedad: la vibración de las cuerdas depende de la amplitud y longitud de onda de la vibración. A más amplitud y menos longitud, más energía; a más energía, más masa; la masa tiene que ver con la gravedad.

Además, entre los modelos de vibración, hay uno que encaja con las propiedades que se atribuyen a “gravitón” en la Teoría estándar.

La Teoría de Cuerdas necesita postular la existencia de ¡11 dimensiones! para dar cuenta de los distintos tipos de vibración de cuerdas. Las dimensiones extra estarían enrrolladas sobre sí mismas y las cuerdas pegadas a ellas. De este modo, la geometría de esas dimensiones determinaría el modo de vibración de las cuerdas.

Lectura básica: Historia del tiempo, Stephen Hawking

Más información sobre las cuerdas: El universo elegante, Brian Greene

El universo en una cáscara de nuez, Stephen Hawking