Los mitos de la materia

Título: Los mitos de la materia

Autor: Paul Dabies; John Gribbin

Preámbulo

“Los mitos de la materia” vuelve a ser un libro transversal en el que se explican diferentes cuestiones sobre la física teórica.
Una frase que podría resumir lo que transmite es “¿Qué podemos saber nosotros sobre nuestro universo?”. Y es que no lo podemos saber todo, existe una limitación en el conocimiento de lo que es el mundo real. No debemos pensar que esta limitación es inherente a la condición humana, sino que el propio universo no puede conocer su propio comportamiento con absoluta precisión.
Esto no significa que debamos tirar la toalla y no avanzar en la ciencia. A diferencia de otras visiones religiosas o exotéricas, la ciencia nos dice con total certeza qué podemos decir del universo, que no es lo mismo que cómo es realmente. Según el método científico, una teoría científica intenta ser un modelo del mundo real y ha de estar totalmente de acuerdo con los experimentos que se puedan llevar a cabo. Esto es su punto fuerte que la diferencia de otras filosofías de entender el mundo.

La muerte del determinismo

Laplace, en el siglo XVIII, afirmó que si conociéramos el comportamiento de todos los átomos del universo hasta el más mínimo detalle, entonces éste quedaría determinado completamente por las estrictas leyes matemáticas del movimiento.
En el determinismo no hay cabida para el libro albedrío, establece que no hay en realidad ningún proceso de verdadero azar en la naturaleza, sino que éste es el resultado de nuestra ignorancia. El futuro está determinado desde el principio de los tiempos.
La influencia de esta escuela llegó también hasta la biología y psicología. En concreto, la psicología conductista considera que la mente es pasiva y responde de forma determinada a fuerzas o estímulos externos.
Diversos avances en la ciencia han vencido al determinismo:
o El caos: el poder predictivo desaparece.
o La teoría de la relatividad: no hay tiempo ni espacio absolutos
o La mecánica cuántica: no podemos conocer el estado de una partícula con absoluta precisión. Cualquier realidad es posible hasta que la observamos.
o La teoría cuántica de campos: de la nada se crea materia, energía y espacio-tiempo.
o La teoría de las supercuerdas: unificación del espacio, tiempo y materia. Todo son rizos de cuerdas invisibles en el espacio de 10 dimensiones.
Actualmente la física se basa en la teoría filosófica del positivismo que consiste en preguntarnos sobre lo que se observa y no plantearnos un modelo mental de lo que es.

El caos

Los sistemas caóticos se caracterizan porque el poder predictivo desaparece.
No es a causa de que no sepamos modelizar matemáticamente el sistema, en realidad suelen ser bastante sencillos de analizar, sino que el problema es que una mínima variación en la determinación de las condiciones iniciales, como podría ser por ejemplo el quinto decimal expresado en centímetros de la posición de una partícula, varia por completo el comportamiento final del sistema en muy pocos segundos.
El no conocimiento con precisión absoluta de las condiciones iniciales no es una limitación humana, sino de nuestro universo, tal como veremos más adelante al explicar la mecánica cuántica. El universo no puede conocer su propio comportamiento con precisión absoluta.

La teoría de la relatividad

La teoría de la relatividad especial
Si estamos moviéndonos en línea recta con la misma velocidad respecto a un sistema, por ejemplo nos encontramos en el interior de un tren y éste se mueve con velocidad constante respecto al sistema de referencia del andén, no notaremos ninguna sensación de movimiento. Esto es así porque el movimiento uniforme en línea recta es puramente relativo. Esto quiere decir que no podemos afirmar que poseemos una cierta velocidad, sino que nos estamos moviendo con una velocidad respecto a otro sistema de referencia. Nadie tiene el privilegio de estar en un sistema de referencia fijo.
Sin embargo, un movimiento no uniforme, como por ejemplo si estamos en un tiovivo, es un movimiento absoluto porque se notan los efectos. En nuestro caso notamos una sensación en el estómago aunque cerremos los ojos. Match dijo que estos efectos eran debidos al empuje de las estrellas distantes, es decir, de la materia distante de nuestro Universo.
La teoría de la relatividad especial, para sistemas inerciales, que son los que tienen movimiento constante y en línea recta, se basa en varios conceptos:
- La velocidad de la luz es independiente de quien la mida. Fijémonos que esto significa que desde cualquier sistema de referencia mediremos siempre la misma velocidad, aunque este sistema se mueva también a gran velocidad. Si por un momento hacemos la abstracción de que la luz es un tren moviéndose a 300.000 Km/s, aunque nos pongamos en línea con él con un supuesto Porsche que alcance los 250.000 Km/s, seguiremos midiendo que el tren va a 300.000 Km/s y no a 50.000 Km/s.
- La velocidad de la luz es una constante universal que define un límite superior para todos los movimientos relativos entre objetos materiales. Nada irá más deprisa que 300.000 Km/s.
Una vez hayamos aceptado estos conceptos, para que todo sea consistente, llegaremos a la conclusión que:
- Los objetos se contraen.
- El tiempo se dilata.
- La simultaneidad de sucesos es relativa.

La teoría de la relatividad general
La teoría especial de la relatividad no trata adecuadamente los movimientos que no son a la vez con velocidad constante y en línea recta ni tampoco los campos gravitacionales, por esto surge la teoría general de la relatividad. La relatividad general engloba a la relatividad especial.
La gravedad se puede entender como una distorsión del Espacio-Tiempo causada por la presencia de materia; es por eso que se dice que la gravedad curva al Espacio-Tiempo. Podemos imaginárnoslo como una gran sábana en la que vamos colocando diferentes objetos y éstos al hundirse un poco en ella curvan la superficie. Los objetos se mueven en las líneas más cortas consideradas en dicho Espacio-Tiempo distorsionado. Estas líneas son las geodésicas y un ejemplo de ellas es el camino por el que se mueve la Tierra alrededor del Sol.
Hay que tener presente que la propia gravedad curva la luz. Se ha podido observar que los rayos de luz provenientes de estrellas lejanas, al pasar cerca del sol se curvan.

Ondas gravitacionales
Las ondas gravitacionales son producidas por la colisión de objetos masivos, por masas en movimiento o por cuerdas cósmicas que serpentean.
Las ondas gravitaciones producidas por los púlsares, que son dos estrellas de neutrones muy masivas girando una alrededor de la otra muy rápidamente, se han podido medir y los resultados casan con las predicciones de la teoría de la gravedad.

Mecánica cuántica

Aunque parezca increíble, un electrón en ciertos experimentos se puede comportar como una partícula y en otros como una onda, todo dependiendo de cómo lo observemos, es decir, nosotros como observadores incidimos en la realidad.
La onda se debe entender como una onda de probabilidad; donde ésta sea más prominente es donde habrá mayor probabilidad de encontrar el electrón, pero en realidad puede estar en cualquier otro lugar que indique la onda, entonces dos experimentos idénticos con dos electrones idénticos comportándose como una onda pueden dar resultados diferentes.
Con el experimento de Young se demuestra como un solo electrón puede pasar a la vez por dos agujeros situados en una pantalla y dibuja en una segunda pantalla, detrás de la que tiene el agujero, un patrón de interferencias, como si de ondas se tratase o bien decide pasar solamente por uno de los agujeros comportándose como una simple partícula en vez de una onda.
Otro concepto de la mecánica cuántica es que no podemos medir con exactitud la posición y velocidad de una partícula a la vez; tendremos que elegir qué medida deseamos obtener.
La naturaleza no es determinista en el mundo subatómico, ya que existe una incertidumbre intrínseca. Einstein negaba el indeterminismo cuántico diciendo: ¡Dios no juega a los dados con el Universo! Y gastó gran parte del resto de su vida buscando una inconsistencia que nunca encontró ni ha sido encontrada.

Teoría de los universos múltiples o de los mundos paralelos
Esta teoría predice que el Universo ante un experimento que puede desembocar en dos realidades, se divide en dos copias y ambas coexisten en paralelo. Entonces el universo está continuamente dividiéndose en innumerables copias. Nosotros nos dividimos en copias duplicadas que habitan en universos diferentes. Estos universos están físicamente desconectados.

La teoría cuántica de campos

La creación de la materia a partir de la nada
La energía puede aparecer de la nada y la materia también.
Según la teoría cuántica, los sucesos se dan sin causas bien definidas. Lo que ocurre no se predice con exactitud, solo se puede decir algo hablando probabilísticamente. Hay fluctuaciones aleatorias de la materia y del espacio-tiempo.
La fluctuante energía cuántica del vacío provoca la creación temporal de todo tipo de partículas virtuales siempre que desaparezcan de nuevo rápidamente. El adjetivo virtual significa temporal. A mayores escalas de tiempo el balance de energía debe mantenerse en equilibrio y entonces si que se cumple la teoría de la conservación de la energía, propia de la física clásica. Lo único que impide que las partículas virtuales tengan una vida real y permanente es la ausencia de energía.
El vacío cuántico, por lo tanto sin partículas permanentes, sólo con virtuales, puede excitarse por azar a un mayor nivel de energía y, al decaer tras un corto instante de tiempo, liberarla en forma de partículas reales.
En la creación de un vacío excitado existe una gran presión negativa que provoca un efecto de antigravedad. Esta presión podría haber inflado nuestro universo.

La creación del Espacio-Tiempo de la nada
La gravedad manifiesta su naturaleza cuántica a la longitud de Planck, que es muy inferior a lo que mide un núcleo atómico. En concreto son 10-33cm. Es en estas distancias donde pueden aparecer fluctuaciones cuánticas de espacio-tiempo y aparecer uno de forma espontánea y sin causa.
El tiempo permitido para los espacio-tiempos virtuales es aproximadamente un segundo, por lo tanto en el Big-Bang tubo que haber una expansión hasta proporciones cósmicas en el intervalo de un segundo para que el espacio-tiempo pasara de virtual a real.

El campo electromagnético
Según la física clásica el campo electromagnético es un campo invisible de energía que rodea a las partículas cargadas y permite que se envíen mensajes para producir efectos mecánicos de movimiento en ellas, a través del vacío.
En cambio, según la teoría cuántica de campos, los mensajes son fotones virtuales que se intercambian las partículas. Debemos considerar los electrones rodeados por una nube de fotones virtuales que zumban a su alrededor como abejas alrededor de una colmena. Cada fotón emitido por el electrón es reabsorbido rápidamente sino hay otra partícula cerca.

La teoría de las cuerdas

Dimensiones extras
Einstein describió la gravedad en términos geométricos necesitando para ello cuatro dimensiones: 3 espaciales y una temporal.
Theodor Kaluza describió el electromagnetismo también en términos geométricos necesitando para ello una dimensión más espacial. Oskar Klein argumentó que esta dimensión extra no la percibimos porqué está enrollada al igual que un cabello parece unidimensional para nosotros pero no lo es en absoluto a escalas microscópicas. Esta teoría se conoce como la teoría Kaluza-Klein

La teoría de las cuerdas
Existe la teoría de cuerdas que incluyen a las otras dos fuerzas: la nuclear fuerte y la débil, pero para cada fuerza es necesario más de una dimensión y en total tenemos once espaciales y una temporal.
La teoría de las cuerdas propone que las partículas materiales y mensajeras no son puntuales, de tamaño nulo, sino cuerdas infinitamente delgadas que oscilan y se mueven por el espacio. Éstas pueden ser abiertas, con extremos ondeando libremente o formar bucles cerrados.
Esta teoría predice que existe una partícula mensajera para la gravedad: el gravitón, nunca encontrado hasta hoy.
Para el Big Bang propone que en la inflación se expandieron solo las cuatro dimensiones conocidas hasta ahora.
También predice que puede haber otras versiones de Universos sombra que pueden interactuar con el nuestro gravitatoriamente.

Nuestro Universo

El big-bang
El Universo empieza en el Big-Bang. No hay antes porque el tiempo se crea allí. Aunque parezca difícil de imaginar, con el Big-Bang se crea la materia, el espacio y el tiempo. Es por eso que tampoco tiene sentido preguntarnos el sitio exacto donde se produjo el Big-Bang; la respuesta seria en todas partes ya que entonces no existía el espacio.
La inflación consistió en doblar la magnitud del Universo cada 10-34 segundos. De esta forma se llegó rápidamente a dimensiones macroscópicas. Más tarde se produjo la congelación, en donde se desprendió energía calorífica. Esta energía junto con la de la expansión crearon la materia. El conjunto se enfrió gradualmente y deceleró hasta nuestros días.

Antimateria
Cuando una partícula se encuentra con una antipartícula se aniquilan mutuamente produciendo radiación gamma.
Si la materia se creó en el big-bang aprovechando la energía de expansión, entonces cabría esperar que se creasen igual número de partículas que antipartículas y entonces se aniquilasen entre sí todas ellas. No parece plausible que existan antigalaxias formadas por antimateria en nuestro Universo, ya que en algún momento se hubieran encontrado con las galaxias de materia y se hubieran aniquilado entre ellas y el Universo actual estaría inundado de radiación gamma.
¿Pero cómo acabó teniendo el Universo un predominio de materia frente a antimateria?
Existe una ligera asimetría entre partículas y antipartículas que implica que por cada mil millones de antipartículas creadas a partir de energía se crean mil millones una partículas. Esto explicaría que en el big-bang partículas y antipartículas se aniquilasen quedando sólo una ilesa por cada mil millones de pares partícula-antipartícula y, a causa de la aniquilación, se formaron mil millones de fotones gamma por cada partícula que hubiera sobrevivido.
Como el Universo se enfría al irse expandiendo, la radiación gamma ha degenerado en radiación caliente normal y es la radiación cósmica de fondo de microondas.
Otro caso de creación de materia sucede cerca de un agujero negro. La fuerte gravedad puede excitar el vacío cuántico y producir partículas reales.

Materia oscura
Para que el Universo sea plano y cerrado debe haber unas 10 veces más de materia de lo que se observa. Esta materia, que no observamos aún, se denomina materia oscura y es imprescindible para explicar el movimiento de las galaxias y cúmulos.
Puede consistir en partículas como neutrinos, axiones, fotitos y gravitinos, muy difíciles de detectar.

Agujeros negros Un agujero negro es materia colapsada sobre si misma por efecto de la gravedad. La gran fuerza de gravedad hace que ni tan solo un rayo de luz se pueda escapar, por eso alrededor de él lo vemos todo negro.
Cuando hacemos más pequeño un objeto con una masa determinada, más gravedad notaremos en su superficie.
Para escapar de la tierra necesitamos ir a 11 Km/s. Si fuera la mitad de pequeña con la misma masa tendríamos que aumentar la velocidad de escape un 41% y si la hacemos más pequeña aún habrá un momento en que la velocidad de escape sea igual que la de la luz. Entonces ni la luz podrá escapar del capo gravitatorio.
Que un planeta se contraiga tanto no puede ser por la solidez del material, pero una estrella si que puede cuando ésta ha consumido su combustible nuclear.
Una vez dentro del agujero negro, un cuerpo es estirado con más fuerza por la parte más cercana del centro, de forma que se espaguetiza.
No sabemos que pasa a la escala de plank (10-35m) en el centro.
Hay un dato curioso en un agujero negro: si un observador que visualiza como algo cae dentro lo verá caer durante un tiempo infinito. El objeto realmente cae rápido pero el observador externo ve el tiempo dilatado hasta el infinito, por lo que lo que ocurra dentro del agujero negro reside en nuestro futuro infinito.
Algunas conjeturas sobre agujeros negros dicen que éstos actúan como puente entre diferentes Espacio-Tiempos. En el otro lado del espacio-tiempo se vería un agujero blanco, una creación explosiva de materia. Otras conjeturas dicen que la materia dentro del agujero negro en un colapso completo desaparece.

Agujeros de gusano y viajes temporales
Los agujeros de gusano son conexiones entre diferentes puntos del espacio-tiempo que vendrían a ser atajos. Se asemeja a viajar de un punto de una hoja de papel a otro doblándola de forma que simplemente agujereando pasáramos instantáneamente de un punto a otro.
Estos agujeros se crean virtualmente y son microscópicos y podrían conectar con otros universos, espacio-tiempo virtuales, en una constante actividad de creación y aniquilación. Forman parte pues de la espuma cuántica espacio-temporal.
Hipotéticamente permitirían viajes en el tiempo, acelerando una de las bocas del agujero de gusano a velocidades cercanas a la luz. Si entrásemos por la boca acelerada y saliésemos por la no acelerada lo haríamos en el pasado.

Parámetros de este Universo
La relación en la intensidad de las cuatro fuerzas y otros parámetros físicos hacen posible la existencia de un universo con estrellas y planetas que puedan albergar vida como la nuestra. Cualquier ínfima diferencia entre esos parámetros ya no la harían posible.

La flecha del tiempo

La noción del tiempo
El mundo no ocurre, simplemente es. Lo que entendemos por tiempo es una ordenación de sucesos aunque en realidad nada fluye en este instante. Los acontecimientos se etiquetan por la fecha en la que ocurrieron: Colón zarpa en 1492; el primer hombre pisa la Luna en 1969, y así.
El presente es presente, no ha sido antes pasado ni será futuro: no fluirá en el tiempo. El momento en que se están leyendo estas líneas lo etiquetaremos con la fecha que marca el reloj. Este momento no fluirá hacia el futuro.
Si una taza de té se te rompe a las cuatro de la tarde un físico diría que cuando las manecillas del reloj marcaban menos de las cuatro la taza estaba intacta y cuando marcan más de las cuatro está rota. Y cuando el suceso se correlaciona con que las manecillas del reloj marcan exactamente las cuatro, la taza se encuentra en un estado transitorio. La taza no fluye de intacta a rota.
Si queremos ir más allá podríamos decir que las manecillas del reloj giran 24 veces en lo que la tierra tarda en dar una vuelta sobres si misma. Si vamos más lejos llegaremos al final a correlacionar todo con el tamaño del Universo que se está expansionando.
¿Cuan rápido fluye el tiempo? ¿Un segundo cada segundo? ¿24 horas cada día? O sea, nada de nada, es una simple tautología. El pasado, presente y futuro son solo ilusiones.
Según la teoría de la relatividad, el tiempo depende de cómo nos estamos moviendo. ¿Podríamos entonces ser capaces de vislumbrar nuestro futuro cambiando el estado del movimiento? – solo los sucesos que no presenten influencia causal entre sí (cómo que a causa del suceso de que me resbale la taza ésta se rompe) pueden tener invertida su secuencia temporal, por lo que sólo seremos capaces de ver aquello que no está unido a nosotros causalmente.
Existe un intervalo de tiempo indivisible: 10-43 segundos. Es el llamado tiempo de Plank. Por lo tanto el tiempo no es continuo, se compone de unos saltos cuánticos pequeñitos. El Universo comenzó en el tiempo 10-43 segundos y no en el 0, ya que en el 0 no existía nada, el tiempo no estaba creado aún.

Las tres flechas del tiempo
Hay tres fenómenos que nos ordenan los sucesos en el tiempo:
- La flecha termodinámica: evolución del mínimo al máximo desorden.
- La flecha cosmológica: la expansión cósmica.
- La flecha gravitacional: de la homogeneidad de la materia a la agrupación en estrellas.

La flecha termodinámica: el desorden
¿Qué es lo que mide el desorden? –La entropía. El Universo evoluciona de la mínima entropía hacia la máxima entropía, lo que es lo mismo que tiende hacia el máximo desorden. Esta evolución marca una flecha del tiempo que nos permite distinguir el pasado del futuro. Un jarrón cuando cae al suelo y se rompe en pedacitos pequeños es un ejemplo de desordenación que marca el sentido del tiempo.
Podemos pensar a veces que las cosas se ordenan, por ejemplo, al comprimir un gas dentro de un recipiente mediante un émbolo, pero en realidad hemos tenido que desordenar el exterior para conseguir energía para mover el émbolo y el balance total es a favor del desorden.
El equilibrio termodinámico, o lo que es lo mismo la máxima entropía, se alcanzará cuando la energía no esté concentrada en estrellas, sino dispersa por el espacio.

La flecha cosmológica: la expansión del Universo
Con el Big-Bang se expande el espacio. Esto significa que es el espacio el que se agranda y no son las galaxias las que se alejan. Para entenderlo imaginemos que el Universo es un globo con puntos dibujados con un rotulador para simular las galaxias y que se va hinchando. Éstos se van separando a medida que insuflamos aire porque el espacio se expande; pero no se van moviendo por la superficie. La constante de Hubble nos determina como de rápido se aleja una galaxia a una distancia particular de nosotros. Si se encuentra a 1 megaparsec, que són 3,26 millones de años luz, se alejará a 50 Km/s. y una que se encuentre el doble de lejos, es decir, a 2 megaparsecs, se alejará el doble de rápido, a 100 Km/s. Las situadas a 3 megaparsecs lo harán al triple de velocidad, 150 Km/s y así sucesivamente.
Por lo tanto, como cada vez que doblamos la distancia de las galaxias doblamos su velocidad, habrá una distancia para la cual la velocidad de alejamiento sea la velocidad de la luz y aún más, habrá distancias para las cuales las galaxias se alejen de nosotros a una velocidad superior a la de la luz. ¿No contradice esto el principio de la relatividad especial? En absoluto. Lo contradeciría si las galaxias fueran las que se movieran, pero el espacio se puede expandir a cualquier velocidad sin límites.
No obstante, la luz emitida por las galaxias que se alejan a la velocidad de la luz o superior no nos llegará a nosotros jamás. Esto define por lo tanto un horizonte, más allá del cual no podemos ver nada; cosa que no significa que no exista nada.
Hay algo que frena esta expansión: el efecto de la gravedad.

La flecha gravitacional: agrupaciones de estrellas en cúmulos y supercúmulos
Si lo miramos a gran escala, la materia y la energía están distribuidas uniformemente en el espacio. Pero a una menor escala hay una tendencia, por la gravedad, a que las galaxias se agrupen en cúmulos.
¿Porqué la materia no está difuminada suavemente en el Universo, sino que se acumula en ciertas regiones?
Después de la inflación, una pequeña irregularidad puede crecer sin parar comenzando a acumular exceso de materia. Su poder gravitatorio aumenta y atrae más materia en un proceso en escalada, pero como la expansión vence a la gravedad no se acaba de explicar. Hay dos teorías que lo intentan:
1- Podría ser que al no cesar la inflación simultáneamente en todas partes se provocase irregularidades de densidad.
2- Según la teoría de fase, al enfriarse el Universo, los campos asociados con las diferentes fuerzas habrían tomado diferentes formas. Estos campos podrían acabar relegados a tubos delgados. Fuera de ellos habría vacío sin excitar y dentro el vacío excitado primordial. A esto se le denomina cuerda cósmica. Son cápsulas del tiempo donde permanece congelado el estado del Universo a los 10-35 segundos de su existencia. Estas cuerdas no producen fuerza gravitacional exterior, ya que tienen una fuerte presión negativa (como la de la inflación) que la contrarresta. Las cuerdas cósmicas cuando chocan con otras se unen de una forma especial, formando bucles cerrados. Éstas podría ser las causantes de la formación de las galaxias. No obstante podrían haber desaparecido, ya que al emitir ondas gravitaciones se pueden comprimir hasta convertirse en un agujero negro.