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Diciembre 2009

Nuevas paradigmas en la Física Moderna

Escrito por 
Nuevas paradigmas en la Física Moderna

Por Isabel Pérez Arellano y Róbinson Torres Villa




INTRODUCCIÓN

Desde siempre el hombre ha intentado dar respuesta a los interrogantes más profundos que lo inquietan; preguntas que van desde ¿Quién soy?, ¿de dónde vengo? ¿y hacia dónde voy?, hasta los intentos por explicar el origen y final universo en qué vive. Muchas son las prepuestas que se han dado a esos interrogantes, dependiendo de la corriente de pensamiento seguida por quien aborda esas preguntas; es así como se ven aproximaciones místicas, esotéricas, religiosas y científicas entre otras; pero todas con el objetivo de dilucidar alguna respuesta a esas preguntas fundamentales.

Desde el punto de vista científico y concretamente de la física moderna, se han planteado algunas explicaciones del universo en el que vivimos que algunas veces rozan con lo fantástico, dado el nivel de abstracción o especulación que llevan implícito, todo obviamente avalado por sofisticados modelos matemáticos que al parecer soportan las hipótesis planteadas.

Es así como hoy en día se ve que el mundo de lo Físico ha dejado de ser algo supuestamente conocido para convertirse en tres cuerpos distintos de teorías que de alguna forma entran en contradicción unas con otras. Einstein va a definir las leyes para el mundo macroscópico, como son los planetas, las galaxias, sistemas solares, englobado en la Física relativista, donde actúa la fuerza de la gravedad; por otro lado se tiene el mundo de la física de los fenómenos cotidianos y objetos que se observan a simple vista, el ámbito donde se mueven los seres humanos, que se rige por las leyes de Newton, de la Física clásica, y suponen un universo mecánico y previsible, y por último estaría la Física cuántica, que asume un cosmos discreto y probable, desde el punto de vista estadístico, y que trata de la escala microscópica de átomos y partículas subatómicas, donde actúan las otras tres fuerzas de la naturaleza, las fuerzas débil, fuerte y electromagnética.

Estas tres interpretaciones de la física muestran, en algunos casos, incongruencias que hace que sea difícil es establecimiento de una única teoría que domine los tres ámbitos mencionados. Si se intenta explicar el mundo desde el punto de vista relativista se definiría todo en función de la geometría del espacio; y así el espacio sería un continuo donde no existirían corpúsculos, mientras que según la física cuántica el mundo es discontinuo, y todo está formado por partículas. Pero, ¿cómo puede ser que lo pequeño, que engloba a lo grande, tenga unas leyes que son incompatibles con lo grande que está formado por lo pequeño? Por eso ahora más que nunca la física está necesitada de teorías que busquen una unificación. Einstein durante los últimos años de su vida, se dedicó a proponer una teoría unificada, algo que pudiese explicar todo tipo de fenómenos,  partiendo de la teoría de la relatividad. También a partir de la física cuántica se han hecho intentos de encontrar una teoría cuántica de la gravedad.

Se hará a continuación una descripción de algunos de los fundamentos de éstas teorías en las que se apoya la física moderna para dar explicación al universo, para luego introducir algunos de los intentos de unificación que se han propuesto. Sabiendo de antemano que tales intentos no son más que hipótesis, pero que ante todo obedecen a ese impulso natural del ser humano por dar respuesta a las preguntas más profundas que siempre se ha planteado.

LA RELATIVIDAD

Einstein revolucionó las ideas de su época al proponer la teoría de la relatividad especial a partir de dos postulados aparentemente inofensivos pero que en ese momento resultaban contradictorios entre sí. El principio de la relatividad del movimiento, que dice que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia, y la invariabilidad de la velocidad de la luz. La validez del principio de la relatividad del movimiento enunciado por Galileo Galilei es universal y dice que el movimiento es relativo y que a menos que se compare con otro marco de referencia  no se puede saber realmente si se está moviendo. La prueba se tiene en el planeta Tierra, cuyo movimiento, de 30 km por segundo, no se es capaz de percibir.

Gracias al experimento de Michelson-Morley, Einstein se dio cuenta de que la velocidad de la luz es siempre la misma, es una constante. Si se observa la fórmula clásica de velocidad, la velocidad es el espacio partido por el tiempo, así que si se mantiene la velocidad constante hay otras dos cosas que tienen que variar. Y ésa fue la genialidad de Einstein, darse cuenta de que conceptos que eran absolutos no lo son en realidad.  Lo que Einstein dijo es que tanto el espacio como el tiempo son relativos, es decir, que dependiendo del movimiento que lleve una persona puede estar midiendo un tiempo y registrando una distancia diferente frente a otra. Existiría un continuo espacio-tiempo que está imbricado, cuya flexibilidad estriba en que se puede ver distintos espacios y distintos tiempos, sin embargo, el conjunto de ellos dos va a ser siempre el mismo, independientemente de la situación en que se encuentre quien haga la medida.

Einstein puso de nuevo sobre la mesa el enigma del tiempo. En la paradoja de los gemelos, para el hermano que hubiese viajado a velocidades muy altas el tiempo se dilata, pasa más despacio. Eso no significa que el que se ha ido al espacio y ha vuelto, ha vivido más tiempo, sino que realmente ha vivido menos años. La teoría de la relatividad lo que indica es que el tiempo en esta Tierra puede ser distinto del tiempo de otro observador o «ente», que estuviese en otra galaxia moviéndose a unas velocidades muchísimo mayores, es decir postula la relatividad del tiempo.

Además de la dilatación del tiempo, otra de las consecuencias de la teoría de la relatividad especial es la contracción de la longitud, es decir, que cuando se va a velocidades muy grandes las longitudes se contraen. Y también hay un aumento de la masa, que se deduce de la ecuación E/m= c2. Si a un cuerpo se le añade energía, se aumenta su masa. Si se imagina un coche que se mueve a 120 km/h y se piensa que añadiéndole «equis» energía se consigue que se mueva a 140 km/h, se podría suponer que añadiéndole de nuevo el mismo valor «equis» de energía se llevaría 160 km/h, pero no es así, porque esa energía que se le ha dado al coche, se ha incorporado a su masa, de tal forma que ahora el coche es más pesado y cuesta mucho más trabajo llevarlo a velocidades mayores. Así que para que un cohete espacial por ejemplo, alcanzase la velocidad de la luz, los cálculos indican que se requeriría toda la energía del universo.

La relatividad especial postula que no hay diferencias en cuanto a las leyes físicas que nos rigen llevando una velocidad uniforme o estando parados. Pero Einstein pensaba que no existen observadores privilegiados en el universo, ni existen movimientos que sean privilegiados respecto a otros, en consecuencia el movimiento acelerado tenía que estar sujeto a las mismas leyes que el movimiento uniforme y que el reposo.

Uno de los movimientos de aceleración más conocidos es la gravedad. Nosotros sabemos que todos los objetos que dejamos caer adquieren una aceleración de 9,8 m/segundo al cuadrado. Ya Galileo Galilei dijo que todos los cuerpos caen con la misma velocidad independientemente de la masa que tengan. Este fenómeno Newton lo va a describir en su ley de la gravitación universal en donde va a decir que los cuerpos se atraen de manera proporcional a su masa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Sin embargo, Newton decía que la fuerza de la gravedad es una fuerza instantánea y a distancia. Y Einstein acababa de descubrir que la luz, que es el límite máximo del universo tarda ocho minutos en llegar a la Tierra. Por tanto la gravedad no podía ser inmediata, y no podía actuar desde tan lejos. La teoría de la relatividad general realmente es una nueva explicación de la gravedad.

Einstein descubrió el principio de equivalencia, que permite entender que la gravedad y la aceleración son la misma cosa. La persona que está dentro de un ascensor que está parado, está tocando el suelo, porque está ejerciendo una presión contra el suelo, por efecto de la gravedad, mientras que en un ascensor que estuviese en el espacio, esa persona estaría ingrávida, flotando. Pero ¿qué pasaría si ese ascensor que está en el espacio, es arrastrado con una cuerda tirando desde el techo del ascensor hacia arriba, con un movimiento acelerado? Que el pasajero que está en ese ascensor sentiría una presión contra el suelo y pensaría que hay una gravedad.  En consecuencia, no se puede distinguir si se está siendo acelerado o sujeto a una fuerza gravitatoria.

También Einstein pensó cómo se vería un rayo de luz en un ascensor. Si se hace un agujero en un lateral y se pasa una luz con una linterna, si en el ascensor no hay movimiento el pasajero vería la luz recta, si el ascensor se pone en movimiento a velocidad constante, la luz pasa a través del agujero pero el ascensor va subiendo, por tanto, la luz se ve inclinada, y si el movimiento que lleva el ascensor es acelerado entonces la luz se curva. Esta es la gran aportación de Einstein. La luz se curva como prueba de que el espacio es curvo debido a los efectos gravitatorios.

En un principio las ecuaciones de Einstein suponían que el universo era estático. Posteriormente Edwin Hubble descubrió en 1929 el efecto del corrimiento hacia el rojo de la mayoría de las galaxias que indican que el universo está en expansión. Años después se propusieron una colección de soluciones de las ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedmann-Robertson-Walker que establecían que debió existir un inicio para nuestro universo. La prueba vino con el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas cósmicas, en 1965, interpretada como un resto procedente de un estado anterior, eco del nacimiento del universo.

La teoría de la relatividad no se puede aplicar en los momentos iniciales del universo, conocidos como singularidades, puesto que son puntos del espacio-tiempo que ocupan un volumen cero y que tienen una masa infinita. En los años 1960, Stephen Hawking y otros demostraron que la singularidad es un componente esencial de la gravedad de Einstein. Así la teoría de la Gran Explosión o Big Bang, según la cual el universo tuvo un comienzo hace un tiempo finito, se ha ido consolidando.

Distintas observaciones han mostrado que no había suficiente materia visible en el universo para explicar la intensidad aparente de las fuerzas gravitacionales que se dan entre las galaxias. Esto condujo a la idea de que hasta un 90% de la materia en el universo no es materia común sino materia oscura. Esta materia oscura quizá no esté compuesta de partículas, sino por cuerdas, que pueden ser muy extensas.

Pero además para explicar el hecho de que el universo está acelerándose ha sido necesario incluir la presencia de energía oscura. Lo que queda por demostrar es si el universo está condenado a seguir expandiéndose siempre, lo que se llama un universo abierto, o si se detendrá finalmente esa expansión y se provocará una contracción hasta que las estrellas o galaxias se colapsen bajo la acción de su propia gravedad en un agujero negro, y el universo desaparezca en un Big Crunch.

LA FÍSICA CUÁNTICA

La relatividad general es válida en una escala cosmológica muy grande, donde sustituye a la física newtoniana, pero en el reino de las partículas elementales, átomos y moléculas la teoría cuántica es la que predomina.

La teoría cuántica trata de las propiedades de los átomos, y establece que los electrones ya no pueden moverse por cualquier lugar del espacio sino que poseen orbitales y saltan de uno a otro, de manera discontinua o discreta, según la función de ondas de Schrödinger. Esta ecuación, elevada al cuadrado, permite calcular la probabilidad de encontrar una partícula en una región del espacio y sienta las bases de una mecánica nueva, que en lugar de predecir exactamente los fenómenos a nivel atómico, sólo puede hablar de la probabilidad de que sucedan. La dualidad onda-partícula, el principio de incertidumbre, el spin de las partículas subatómicas han dado paso a un mundo de partículas reales y virtuales, materia y antimateria, donde existe la posibilidad de viajar en ambas direcciones del tiempo.

La ecuación de Schrodinger es coherente con los datos experimentales, pero todavía no se ha encontrado el desarrollo matemático que permita explicar cómo se elige una respuesta entre todas las que presenta. La interpretación convencional conocida como colapso de la función de onda dice que el paso crítico se da al realizar una medición, en que del conjunto de respuestas la función de onda se concreta en una única. Para ello según unos es suficiente con un aparato de medición, según otros es necesaria la presencia de una persona consciente, que es la que decide el resultado.

Algunos físicos creen también que existe una interconexión o potencial cuántico entre las partículas atómicas, que permitirían explicar ciertos fenómenos en que las partículas parecen viajar a velocidades superiores a la luz.

TEORÍA DE LA UNIFICACIÓN

La singularidad del Big Bang en el cual toda la materia del universo se comprime fantásticamente y el espacio-tiempo se deforma más allá de toda creencia inquieta a los científicos, que necesitan encontrar una síntesis entre las teorías cuántica y relativista. A semejante teoría se la ha llamado la teoría del todo, o teoría de la unificación. Todavía no hay un candidato definido para esta teoría, pero sí que hay algunas aproximaciones plausibles.

Una de esas aproximaciones es la teoría de supercuerdas, que propone un mundo formado únicamente por unos filamentos microscópicos o cuerdas, de dimensiones cercanas a la longitud de Planck, objetos unidimensionales, cuyos extremos pueden estar sueltos o unidos, formando bucles. Estas cuerdas presentan ciertas frecuencias de vibración que dan lugar a diferentes masas y cargas de fuerzas, que son interpretadas como partículas fundamentales, identificándose todas las partículas subatómicas existentes y las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, incluido el gravitón que sería una cuerda de amplitud 0.

La teoría de las supercuerdas predice que el número de dimensiones es de 10. Las tres dimensiones conocidas del espacio (longitud, altura y anchura) y una del tiempo, y seis dimensiones más del espacio. Estas dimensiones extra no serían detectables si su tamaño fuera menor a la longitud de las cuerdas.

Más recientemente se ha visto que las cuerdas pertenecen a una clase de objetos que pueden extenderse en más de una dimensión, a las que se les ha llamado p-branas.

La supergravedad es básicamente la teoría de Einstein del espacio-tiempo curvado, en donde se ha incluido algunos tipos adicionales de materia y en donde el tiempo puede ir en las dos direcciones, hacia atrás y hacia adelante.

Actualmente las esperanzas de encontrar una teoría del Todo se centran en dos conjuntos matemáticos diferentes, la llamada teoría M, que combina las cinco teorías existentes de las supercuerdas y la teoría de la supergravedad; y la teoría de la gravedad cuántica de bucles que postula que el propio espacio-tiempo estaría cuantizado dimensionalmente.

CONCLUSION

El actual desarrollo de la física moderna ha solucionado muchas preguntas pero ha abierto muchos más interrogantes, tanto en el campo de la física relativista como de la física cuántica.

La implicación más importante de la teoría de la relatividad de Einstein es que las nociones de espacio, tiempo y masa no se pueden considerar absolutas y existentes en sí mismas como sustancias inalterables y permanentes. Pero además han aparecido nuevos conceptos misteriosos y sutiles, como la materia y la energía oscuras, que formarían la mayor parte de nuestro universo visible. Y el vacío ha dejado de estar vacío. Así que el universo se está convirtiendo en algo principalmente metafísico...

Nuevas preguntas surgen. Si el universo está en expansión significa que hay algo que se está llenando cuando se expande y por tanto existe algo más que el universo. Además si el universo empezó en algún momento, ¿a partir de qué comenzó? Si se responde que el universo fue creado de la nada, nos queda por resolver de dónde surgió la nada, o quién la creó, de dónde proviene ese hirviente vacío de que habla la física cuántica, que está tan lleno de energía. Si se responde que el universo es creación de una inteligencia preexistente, siguen vigentes las preguntas acerca del estatus ontológico de dicha inteligencia y de la realidad que representa. Y si no comenzó, ¿cómo se explica la presencia de todo nuestro mundo objetivo? La mente tiene problemas en contemplar el universo como algo infinito y sin comienzo.

Tal vez este enigma no se pueda resolver empleando la mente racional. Pensando en la siguiente pregunta: ¿Puede Dios hacer una piedra tan pesada que ni siquiera Él sea capaz de levantarla? Respondiendo tanto afirmativa como negativamente se estaría admitiendo que Dios no es omnipotente. Este tipo de paradojas sirve para descubrir la incapacidad mental para abarcar la infinitud. Los místicos afirman que existen formas de pensamiento más allá del lenguaje que se puede utilizar para descubrir las pretendidas últimas respuestas sobre la existencia.

El tiempo emerge de nuevo desafiante, como una incógnita cada vez más misteriosa. Según el modelo del Big Bang ya no sería algo eterno, sino que el tiempo fue creado junto con el espacio. Nada pudo ocurrir con anterioridad.

Sin embargo, volviendo al tema sobre el origen del cosmos, algunos científicos han planteado que el universo podría crearse a sí mismo mediante un viaje en el que el universo retrocediese en el tiempo. Por tanto, el espacio y el tiempo sufrirían creaciones sucesivas.

Se distingue además el tiempo físico, que corre, según la relatividad, a diferentes ritmos según las circunstancias físicas, y el tiempo psicológico, subjetivo, que también trascurre de manera diferente según el mundo emocional de quien o perciba. Bien se sabe que no es lo mismo una hora de felicidad, que una hora de dolor, y la experiencia dice que mientras se sueña el tiempo es muy moldeable. Pero además se descubre la posibilidad de que el tiempo se mueva en dos direcciones, hacia adelante y hacia atrás, lo cual resulta paradójico: Si se pudiese viajar hacia el pasado y cometer un autoinfanticidio, el viajero en el tiempo no habría vivido para poderlo realizar.

Por otro lado, se ve que el problema central de la física cuántica es la relación entre realidad y observación. Es tal la influencia que ejerce el observador al tomar la medida, que la realidad sería una creación suya. Según el Kybalion el universo es mental. Ha dejado de considerarse a la mente como un intruso accidental en el reino de la materia: se está comenzando a sospechar que más bien se debería saludar como creadora y gobernadora del reino de la materia. Algunas corrientes afirman que la conciencia es tal vez el único fenómeno que efectivamente existe.

El reconocimiento del papel de la conciencia en los procesos del universo físico entraña un alejamiento radical de los presupuestos de la física clásica. Sin embargo, es difícil definir la conciencia, ya que ella misma es el único instrumento con el que podemos contar para examinarla. Y según la física cuántica, el observador altera lo observado, el pensador altera el pensamiento. A la ciencia le resulta necesario explicar la experiencia subjetiva de la conciencia y ese análisis exige un estudio en primera persona. Para seguir adentrándose en el conocimiento, la ciencia debe dar un salto cualitativo en sus métodos cognitivos. Ya no se puede limitar a observar el mundo; encontrar nuevas respuestas, implica un esfuerzo personal de transformación. Sabemos que todo está interrelacionado. Ya no se puede percibir las cosas como intrínsecamente divididas y desconectadas. La participación del un sujeto cambia el mundo. Desde fuera, el cosmos se puede conocer hasta cierto límite. Es desde dentro y buscando nuevas herramientas mentales, como podemos llegar a comprender verdaderamente el universo y a nosotros mismos.

PARA SABER MÁS

o         La flecha del tiempo. Peter Coveney and Roger Highfield, RBA ediciones. 1990

o         El universo en una cáscara de nuez. Stephen Hawking. Editorial Planeta. 2002

o         Misticismo y física moderna. Michael Talbot, Editorial Kairos, 1980

o         Historia del tiempo. Stephen Hawking. Editorial Critica, 1988

o         Los viajes en el tiempo. J. Richard Gott. Círculo de Lectores. 2003

o         Einstein relativamente fácil. Teodoro Gómez. Editorial Océano.2001

o         El universo en un solo átomo. Dalai Lama. Grijalbo. 2006

o       ¿Qué sabemos del Universo? Juan Pérez Mercader. Editorial Debate. 1996

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