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Diez de las mayores preguntas a las que se enfrenta la Física Moderna hoy

Diez de las mayores preguntas a las que se enfrenta la Física Moderna hoy



Navegando por la red encontré un interesante documento en el que se listan diez preguntas calificándolo de Top Ten y haciendo una somera descripción de cada una de ellas. Yo prefiero no llamarlo “Top” aunque sin duda son preguntas de gran relevancia, y he querido recopilarlas aquí explicando cada una de ellas. He decidido reordenar algunas para ayudar a la lectura. Vamos a ello.

1) ¿Es posible calcular el valor de los parámetros adimensionales que caracterizan el universo o únicamente pueden ser calculados mediante el experimento o, directamente, no son calculables?

¿Cómo de rápida debe ser la velocidad de la luz? ¿Cuánto debe valer la carga del electrón? ¿Qué valor ha de tener la constante de Planck que determina el tamaño de los cuantos de energía? Estas y otras preguntas surgen en cualquier parte de la física ante el hecho de que estamos rodeados de parámetros en nuestros modelos que simplemente van surgiendo y son cantidades físicas que tienen un valor, y algunas de esas cantidades son fundamentales.

Sobre este problema escribí un post. Saber qué valor tienen y por qué tienen ese valor y no otro es importante para entender como funciona el universo.

¿Debemos resignarnos a que la Física sea un compendio de modelos con un grupo de parámetros ajustables experimentalmente? Esto no gusta demasiado, especialmente a los físicos teóricos. A fin de cuentas se trata de un problema fundamental a la hora de hacer predicciones y contrastarlas con el experimento. Si aparecen constantes que no tenemos su valor bien determinado no podemos alcanzar la precisión que nosotros queramos, aparte de la que permita el propio experimento, claro está.

Es especialmente crítico en el Modelo Estándar, el actual paradigma que define la física de partículas y las interacciones fundamentales, porque se juntan más de 20 parámetros ajustables entre masas, cargas eléctricas y demás.

Una cosa es fijar su valor y otra más difícil todavía es preguntarse por qué ese valor y no otro sin recurrir al principio antrópico de “es así porque si fuera diferente no estaríamos aquí para hacernos esta pregunta”. Y por el momento, no hay respuesta en este sentido.

2) ¿Cómo puede explicar la gravedad cuántica el origen del universo?

Es un hecho que la gravedad, cuando se intenta unificar en el Modelo Estándar, se resiste de todas las formas habidas y por haber que conozcamos hasta ahora. Necesitamos la descripción de la cuarta fuerza (o primera, según orden cronológico de su descubrimiento) a nivel cuántico. No solo en aras de una “teoría del todo”. También para poder describir el universo a todas las escalas.

Los dos contendientes principales actualmente son la teoría de supercuerdas (SST) y la gravedad cuántica de bucles (LQG). No pueden convivir juntas y los físicos que defienden una son detractores de la contraria. Es cierto que en cuanto a número de gente trabajando, la SST gana por goleada y también es cierto que la LQG es, de momento, una teoría cinemática. Es decir, no explica como se propaga la gravedad o como interacciona con tal campo. Y además, todavía no cuenta con límite clásico.

El límite clásico es un requisito pedido a toda teoría que pretenda describir la física a una escala (tamaño y energía) distinta de la clásica, para que cuando los valores de escala se vayan pareciendo a los clásicos, la nueva teoría recupere los resultados conocidos. Es de recibo, sabemos que algo funciona y por tanto si una teoría ha de ser más general, debe incluir los resultados previos.

En cuanto a la SST, su mayor y principal problema es la imposibilidad técnica de comprobar sus predicciones. Quizás su última esperanza sea el descubrimiento de la supersimetría en el LHC, y esto enlaza con la siguiente pregunta.

3) ¿Es la naturaleza supersimétrica?

En Física la búsqueda de simetrías es muy importante porque por cada simetría, según el teorema de Noether (algún día he de hablar de Emmy Noether, una mujer física muy importante de principios del siglo XX), hay una ley de conservación asociada. Y las leyes de conservación gustan mucho a los físicos porque ayudan enormemente a la hora de resolver problemas de condiciones iniciales.

La llamada supersimetría (o SuSY en inglés) es a nivel cuántico y nos dice que cada partícula fundamental tiene una “compañera supersimétrica” cuyo espín se diferencia en frac{1}{2} con su compañera. Esto es, la compañera de un fermión (espín 1/2, 3/2, 5/2…) será un bosón (espín 0, 1, 2…) y viceversa. Tienen ambas la misma masa y los números cuánticos internos.

La “chicha” de esto es que la supersimetría es una predicción de la SST. Y bueno, no quiere decir que si se descubre la SuSY entonces la SST sea correcta. Más bien que de hacerse, la SST tendría un clavo ardiendo al que agarrarse por un tiempo y pasaría de ser una bonita herramienta matemática que resuelve problemas estupendamente en otras disciplinas a ser una teoría física.

4) ¿Cual es la vida de un protón y cómo podemos entenderlo?

Sobre protones ya hablé en alguna ocasión. Por ejemplo para preguntarnos por qué un protón es más ligero que un neutrón y también cómo se supo que los protones estaban compuestos de piececitas más pequeñas llamadas quarks.

Los protones son partículas estables. Esto quiere decir que si se dejan solos en el espacio libre no se desintegran en componentes más fundamentales. El protón es, de todas las partículas compuestas por 3 quarks (bariones), el más ligero. Esto hace que no pueda descomponerse en bariones más sencillos y, por tanto, le confiere una vida virtualmente ilimitada.

Ahora bien ¿son realmente estables o simplemente su tiempo de vida media es tan enorme que casi podemos considerarlo infinito?

Si uno se va a las tablas del Particle Data Group que es quien recopila  las mediciones de valores experimentales de las partículas encontrará en este pdf el listado de datos de interés sobre el protón y en la página 6 los valores medidos de vida media para el protón. Sorpresa. 2.1 times 10^{29} años nada menos. En el pie explican someramente los métodos usados por los distintos experimentos. Y aunque difieren incluso en muchos órdenes de magnitud, sin duda es muchísimo tiempo. Es destacable también que a la derecha del todo indican que no se ha visto la desintegración del protón en otras partículas, como es lógico.

¿Por qué 10^{29} y no 10^{89}? Dijimos inicialmente que infinito así que podría encontrarse cualquier valor arbitrariamente grande o diferir tanto de un experimento a otro que se achacase al método en sí más que a que la partícula tenga, de hecho, una vida media finita.

Algunas teorías de unificación predicen que el protón realmente no es estable sino que en escalas de tiempo enormes efectivamente se desintegra. ¿Hacia qué? No se sabe. Ese es otro misterio adicional.

Si os interesa, en PhysicsForums hay un hilo al respecto de esta discusión.

5) ¿Por qué el universo parece tener 3 dimensiones espaciales y 1 temporal?

El “porque así lo vemos” no parece una respuesta muy apropiada para esta pregunta. Y el hecho de que no podamos movernos en otras direcciones tampoco significa que el universo sea así.

De acuerdo a teorías como la SST el universo tiene en realidad muchas más dimensiones, solo que las dimensiones extra no son perceptibles a escala macroscópica.

Este hecho, dicho sea de paso, puede ayudar a entender en parte la siguiente pregunta.

6)¿Por qué existe una diferencia tan abismal entre el orden de magnitud de la interacción gravitatoria y el de las demás fuerzas?

Sobre este tema hace tiempo escribí un post que responde esta pregunta de forma más profunda que lo que explicaré aquí.

Básicamente se trata de saber por qué, a escala macroscópica, la gravedad es quien manda y sin embargo a escala microscópica la gravedad es tan irrisoria que aunque la consideres no afecta en absoluto a los valores experimentales porque es del orden de 10^{-39} veces más débil que la electromagnética, por ejemplo. Vale que la masa de las partículas es ridículamente pequeña. Aún así esto no explica del todo por qué es tan insignificante.

De paso, la gravedad tiene el ligero inconveniente de que a nivel teórico no es posible cuantizarla usando procedimientos similares a lo que se ha hecho con las otras fuerzas. Así que, por el momento, la gravedad permanece siendo uno de los mayores quebraderos de cabeza desde que a Newton una manzana se la quebrase debido a la gravedad (sí, sé que es una leyenda, pero me venía que ni pintado).

7)¿Por qué la constante cosmológica tiene el valor que tiene? ¿Es realmente constante en el tiempo?

Sobre la constante cosmológica hizo jjo en los inicios de este blog cuatro excelentes aportes aunque tal vez bastante técnicos al respecto.

Por abreviar. La constante cosmológica es un término añadido “a mano” sobre la ecuación de Einstein en Relatividad General para lograr una solución que permitiera un universo estático, pues Einstein estaba convencido de que de todas todas, debería cumplirse el principio de Mach.

Un universo estático implica que a partir de cierto momento la expansión se detiene y el universo pasa a ser un lugar aburrido donde las posiciones de las galaxias no cambian entre sí de forma neta. Con el tiempo se observó que el universo de hecho no era estático y se expandía. Einstein dijo que la constante cosmológica había sido el mayor error de su vida.

Sin embargo, años después, tras el descubrimiento de que la expansión del universo no es a velocidad constante como cabría esperar sino que es acelerada como si hubiera una fuerza misteriosa que empuja a las galaxias se volvió a recuperar la constante cosmológica como término que da cuenta de una especie de “presión negativa” responsable de la expansión acelerada. En este sentido, la constante cosmológica va de la mano con la energía oscura.

El problema añadido con la constante cosmológica es que las predicciones de algunas teorías fundamentales predicen valores enormes para la constante cosmológica que no cuadran en absoluto con los observables. Son de entre 10^{10} y 10^{22} veces mayores que los que podemos observar.

Si el universo fuera perfectamente supersimétrico, la constante cosmológica valdría 0. No obstante, si esta simetría existe de todos modos, aunque parece estar rota por algún motivo, la constante seguiría siendo constante con el tiempo. En caso contrario las cosas serían todavía más complicadas.

8 ) ¿Cuales son los grados de libertad fundamentales de la teoría M? ¿Es realmente buena para describir el universo?

La llamada teoría M es un intento de teoría del todo que unifica todas las SST. Sobre esto ya se discutió en la pregunta 3). Las teorías de supercuerdas han dado herramientas matemáticas como la correspondencia adS/CFT que permite resolver problemas muy complejos en física de la materia condensada, campo que no tienen nada que ver con la SST.

Durante unos años uno de los mayores puntos contra las SST es que había de hecho 5 versiones. ¿Cual de ellas describe el universo entonces? En esencia, la teoría M añade una dimensión más hasta un total de 11 y aglutina las cinco. Además añade un objeto todavía más extraño que las cuerdas, las llamadas “branas”. Una especie de generalización de cuerda, como si fuera la membrana vibrante de un tambor, pero llamadas “branas” para indicar que son multidimensionales.

En el contexto de esta teoría, la gravedad sería de hecho una “supergravedad” que actuaría en dimensiones superiores y ésta interactuaría con branas en dimensiones superiores, lo cual podría ayudar a explicar por ejemplo por qué la gravedad es tan débil si su “fuerza” se pierde en dimensiones superiores.

La pregunta es. ¿Qué es lo fundamental? ¿Las cuerdas salen de branas o es al revés? ¿Hay algo más simple que estas dos cosas y que es realmente lo fundamental?

Como vemos, no hacen más que surgir preguntas al respecto. Y de igual modo que concluía la respuesta a 3) lo cierto es que mientras no haya posibilidad de verificar experimentalmente algún punto, de momento las SST y la Teoría M quedan como bonitos candidatos a describir el universo.

9) ¿Cómo se resuelve la paradoja de la información en los agujeros negros?

Sobre la paradoja de la información y su solución ya hablé en algún post que otro. Se trata de una paradoja planteada por Stephen Hawking al respecto de la conservación de la información física que cae en un agujero negro.

Si un agujero negro es estable no pasa nada, podemos admitir que la información acerca de todo lo que se traga se queda dentro del horizonte de sucesos, de manera que nada de lo que está fuera puede interactuar pero de algún modo nos quedamos tranquilos sabiendo que está ahí.

Sin embargo, si el agujero negro se evapora por algún mecanismo como por ejemplo el de la radiación de Hawking (explicado en el primer link) entonces hay un problema. Porque desde fuera, un agujero negro únicamente son tres números. Así, sería posible que el agujero negro llegase a evaporarse completamente y nunca recuperaríamos de vuelta la información. Se habría perdido para siempre, resultando en una paradoja.

El principio holográfico (también en el primer link) pone algo de luz al respecto afirmando que toda la información está codificada en la superficie del agujero negro, de manera que realmente no se pierde.

10) ¿Como podemos entender cuantitativamente el confinamiento quark-gluón en la cromodinámica cuántica y la existencia del gap de masa?

Sobre la cromodinámica cuántica hice un pequeño esbozo en este post. Por refrescar, la hipótesis de confinamiento es uno de los pilares fundamentales de la interacción fuerte.

Supone que, en la naturaleza no puede haber ninguna partícula con carga de color distinta de cero. Esto confina a los quarks y a los gluones en empaquetados que llamamos mesones si están compuestos de un quark y un antiquark y llamamos bariones si se compone de tres quarks.

Los gluones son las partículas encargadas de mediar la interacción fuerte. Y debido al confinamiento no puedes alejar entre sí mucho estas partículas porque la fuerza tiende a hacerse infinita.

Sin embargo, todavía no se ha demostrado de forma concluyente y definitiva el confinamiento (por eso se llama hipótesis). Cuando se intenta, los cálculos se vuelven imposibles. Y además no se puede explicar por qué todas las partículas para sentir la interacción fuerte deben además tener cierta masa, muy pequeña, pero nunca cero.

Las esperanzas están puestas también sobre la teoría M y otras propuestas, pero todavía no hay nada claro.

Y bien, hasta aquí la recopilación de las diez preguntas. Sin duda quedan muchas más en el tintero, es solo un pequeño esbozo de todo el trabajo que tiene la física moderna por delante.

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