FÍSICA

La física de las partículas más pequeñas: física cuántica

Uno de los elementos más llamativos de nuestro universo es ver de que está formada la materia. Lo más impresionante no tiene que ser necesariamente aquello que llame la atención a nuestros ojos por sus grandes dimensiones y efectos, también puede ser aquello que se escape al ojo humano: estoy hablando de física cuántica.

La física cuántica se encarga del estudio de las partículas más pequeñas de la física, de los átomos. El comportamiento de estas partículas puede rozar la ciencia ficción, los fenómenos cuánticos pueden tener una serie de propiedades misteriosas: Un átomo puede estar en dos lugares a la vez e ir en dos direcciones distintas, es lo que se conoce como superposición cuántica. También presentan una dualidad onda-partícula, esto significa que mientras no los observamos, los objetos cuánticos son concretos y a la vez difusos. Una tercera propiedad es la del entrelazamiento cuántico, los átomos se conectan instantáneamente al margen de la distancia que haya entre ellos, se comportan como si fuera una unidad, si actúas sobre uno, el efecto que sufra esa partícula, también la va a tener de forma inmediata aquella a la que esté entrelazada,sin importar a la distancia que esté. En este punto es importante recordar la teoría de la relatividad de Einstein, en la que decía que nada se puede comunicar de un lado a otro a una velocidad superior a la de la luz, la velocidad de la luz es la máxima. Por ello, parece que con el fenómeno cuántico del entrelazamiento se esté incumpliendo la teoría de la relatividad. 

Uno de los principios inamovibles de los átomos es el principio de incertidumbre, si conoces la velocidad de movimiento del átomo, no puedes conocer su situación y si conoces su situación no puedes saber la velocidad de movimiento. Aún con todos los misterios y límites que nos ofrece la física cuántica, a día de hoy nos permite tener la mayor parte de los avances tecnológicos de nuestra era, sin ella no sería posible. ¿Qué nos deparará el futuro? ¿Qué nuevas aplicaciones podremos hacer a partir de la física cuántica? ¿Teletransportación? 

Lo más impresionante es pensar que aquello de lo que principalmente está hecha la materia no lo terminamos de entender, se escapa de nuestros sentidos y de nuestra razón de ser, como un elemento mágico que paradójicamente parece que está desafiando a la ciencia. Al ser humano le queda un largo camino por andar para poder comprender la red tan compleja del universo que nos rodea y al que estamos irremediablemente unidos. Todo parece estar hecho de un modo tan perfecto que en lugar de sentir la poética y legendaria insignificancia del hombre ante el universo, creo que deberíamos comenzar a sentirnos parte de él, como una pieza que encaja y se entrelaza con el entramado de elementos que forman la materia. Estamos aquí gracias a que todos los elementos que nos rodean están creando las condiciones necesarias para que se mantenga la vida. Por tanto, la física cuántica es el motor, el principio y el fin de todo.

La importancia de los agujeros negros

Lo que está claro es que son reales, contienen enormes cantidades de energía en una región llamada "horizonte de sucesos". Según el astrofísico Caleb Scharf no todos los agujeros negros son iguales, algunos están calmados y otros están "engullendo" materia. Toda la materia que cae dentro del agujero negro, una trampa de la que no se puede escapar, genera una gran cantidad de energía antes de desaparecer.
Lo más interesante es el hecho de que la vida necesita tener energía cerca, pero no demasiado cerca. En otras galaxias hay agujeros negros que emiten tanta energía que hacen imposible la vida, crean un entorno yermo y estéril en el que no se pueden crear estrellas. Por esta razón, el agujero negro que se encuentra en nuestra galaxia es distinto, está a medio camino, ni emite mucha energía, ni muy poca, ya que sería imposible que se diera la vida en esa condiciones.
Las moléculas y partículas tienden a agruparse a causa de la gravedad de la atracción que experimenta. Toda esta materia acabaría agrupada en un único cuerpo. A más masa, menor volumen y mayor gravedad, lo que atrae más materia que a su vez acentúa esa fuerza de atracción. Con el tiempo ese cuerpo se comprime cada vez más.
Un agujero negro tiene tanta masa y tan compacta que ni siquiera algo que viaja tan deprisa como la luz puede escapar de su extrema fuerza gravitatoria. Sin embargo, pueden tener varios tamaños. Los más pequeños tienen diez veces la masa de nuestro sol, pero los más grandes, los llamados supermasivos, tienen una masa de miles de millones de soles como el nuestro.
¿Cómo podemos saber que existen, si todavía no los hemos podido ver? Hay una distancia al agujero negro más allá de la cual nada puede escapar de su atracción, a esa frontera se la conoce como horizonte de sucesos. No sabemos que ocurre más allá de esa frontera, pero si tenemos información de las partículas que se acercan a sus inmediaciones. Estas partículas adquieren una velocidad elevadísima provocando el choque de unas partículas con otras en violentas colisiones que generan cantidades enormes de energía a una velocidad cercana a la velocidad de la luz. Esto es lo que nos llega a nosotros en forma de rayos X y rayos gamma. El resto de material pasa el horizonte de sucesos para ser absorbidos por el agujero negro, transformando la materia en energía.
La pregunta que se están planteando los científicos es si todo esto ocurre porque de otro modo no podríamos estar aquí. Siempre nos planteamos la insignificancia de nuestra persona ante la grandeza del universo, viéndonos como una parte pequeñísima de todo lo que nos rodea. Sin embargo, tenemos todas las condiciones necesarias para que se pueda dar la vida. ¿Es probable que le debamos la vida a los agujeros negros?

¿A qué distancia tenemos a nuestras estrellas?

Cada noche me siento más atraída e intrigada por el universo.   Anoche, a pesar del poco margen que te ofrece la ciudad para observar las estrellas,  me pregunté por qué en ocasiones vemos algunas estrellas de un color más rojizo.  Al observar los objetos vemos diferentes colores porque cada uno de ellos emite ondas de luz distintas, si tienen unas ondas de luz más anchas se verá rojo y si las emiten más estrechas se verá azul. Esto mismo ocurre con las estrellas; si se alejan,  las ondas de luz se hacen más anchas y la vemos roja, si por el contrario se acercan, la vemos azul.Todo este discurso parece más propio de un tratado de arte que de un tratado de astronomía. Sin embargo, no hay tanta distancia a la hora de comprender la esencia de cada uno, arte y materia y naturaleza están ligadas. Muchos de nuestros pintores contemporáneos no han querido expresar más que esta inquietud hacia nuestro universo realizando cuadros que parecen auténticas galaxias.

Todo este movimiento de las estrellas y del universo me hace preguntarme qué tipo de fuerza es la gravedad. La gravedad es una fuerza que podemos considerar débil (débil, porque un imán, por ejemplo, ofrece más magnetismo que la gravedad misma) y sin embargo determina el espacio y el tiempo de cada punto del universo.  Gravedad y aceleración son lo mismo. Con la aceleración los rayos de luz tardan más en llegar y por eso van más lento (tiempo) y la luz aunque no tenga masa, al someterse a la fuerza de la gravedad se modifica el espacio y por tanto su trayectoria (espacio).

Como ya he comentado otras veces, se pensaba que con la gravedad habría una implosión contraria al Big Bang y que supondría el fin del universo por contracción. Sin embargo, desde que se conoce la energía oscura se sabe que es un tipo de energía repulsiva. Provoca que los cuerpos celestes se separen entre ellos provocando la expansión y no la contracción del universo. Es una energía débil, ya que para poder percibirla hay que fijarse a gran escala. Dependiendo de cómo evolucione, supondrá un futuro distinto para nuestro universo. Podría ocurrir,  por un lado,  que la expansión del universo se acelere cada vez más y más,  hasta desgarrar la materia del universo convirtiéndolo en partículas elementales (esto es lo que se conoce como Big Rip) o, en el caso de que esta evolución fuera constante se expandiría eternamente hasta llegar a la muerte térmica. Si así ocurre,  todos los cuerpos querrán tener la misma temperatura imposibilitando las  reacciones químicas. Sin ellas, no habría tiempo ni intercambio entre los átomos.

Si consiguiéramos controlar el conocimiento de estos enigmas  podríamos llegar a tener un mundo propio de la Ciencia Ficción en el que los coches levitarían y no habría cristales para aislar el calor, sino campos de fuerza.  Parece increíble que el ser humano esté  llegando a estos límites del conocimiento. Muchas personas se preguntan para que sirve estudiar ciertas cosas o para que quieren saber sobre temas que “no son prácticos”.  Cuantos más conocimientos vayamos adquiriendo más cuestiones nuevas aparecerán y más nos quedara por aprender.

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Where are we heading? (The discovery of “God particle”)

We are just about to discover the origin of the Universe, right now the enigma is to know towards where we heading. To distinguish all this we need to understand matter. Where does matter come from? Atoms have electrons that orbit around the nucleus and in the nucleus there are protons, neutrons and quarks. For each force there is a corresponding particle forming a kind of “Cosmic DNA” (term used by John Ellis) composing in this way all the visible matter in the Universe. However most of matter is invisible, it doesn´t send out light because it doesn´t have an electrical charge. This dark matter is accompanied by dark energy, forming the vastest part of the Universe. Here we must mention Bosón de Higgs, subatomic particle responsible for the mass existing (God particle). These are particles form the Higgs field where we find photons (that don´t interact with the Higgs field, move very fast, but don´t have mass) electrons (that interact with Higgs field, go very slow and leave a track, therefore they have mass) and quarks (that are much heavier, go much slower and interact much more with the Higgs field, leaving a much deeper track in itself). Surprisingly someone related energy with mass, Albert Einstein (E=mc2) but didn´t explain what it is.

Therefore, by discovering this “God Particle”, Higgs´ Boson particle, we are touching our origins with our own fingertips. The Universe won´t stop expanding, the question is in which direction. Where are we heading? If the Universe´s expansion is accelerating, are we getting closer to another Big Bang? The cause of all this is the dark matter and if it doesn´t disappear, something quite improbable, the Universe will be constantly expanding, getting further away and transforming the matter constantly. Energy and matter are the big enigmas of our existence, the more time goes by, the more I´m certain that we don´t go anywhere, we expand to the infinite. 

Translated by: Beatriz Bloch Macaskie

¿Hacia dónde vamos? (El descubrimiento de "la partícula de Dios")

Estamos a punto de descubrir el origen del universo, ahora el enigma es saber a dónde vamos. Para conocer todo esto es necesario entender la materia. ¿De dónde procede la materia? Los átomos tienen electrones que orbitan alrededor del núcleo y dentro de los núcleos hay protones, neutrones y quarks. Para cada fuerza hay una partícula correspondiente formando una especie de "ADN cósmico" (término utilizado por John Ellis) componiendo casi toda la materia visible del universo. Sin embargo, la mayoría de la materia es invisible, no emiten luz porque carecen de carga eléctrica. Esta materia oscura está acompañada de una energía oscura, formando la mayor parte del universo. Aquí es donde hay que mencionar el Bosón de Higgs, partícula subatómica responsable de que exista la masa ( la partícula de Dios). Estas partículas forman el campo de Higgs en el que encontramos fotones (no interactúan con el campo de Higgs se mueven muy rápido, por lo que no tienen masa), electrones (interactúan con el campo de Higgs, van muy despacio y dejan huella, por lo que sí tienen masa) y quarks (pesan mucho más, van mucho más lento e interactúan mucho con el campo de Higgs, dejando una huella aún más profunda en el mismo). Sorprendentemente hay alguien que ya había relacionado la energía con la materia, Albert Einstein (E=mc2) pero no explica lo que es.
Por lo tanto, al haber conseguido descubrir esta "partícula de Dios", el Bosón de Higgs, estamos tocando con los dedos nuestro origen. El universo no dejará de expandirse, la pregunta es hacía dónde. ¿Hacia dónde vamos? Si la expansión del universo se está acelerando, ¿nos estamos acercando a otro Big Bang? La causante de todo esto es la materia oscura y a no ser que desapareciera, hecho bastante improbable, el universo seguirá eternamente en expansión, alejándose cada vez más y transformando continuamente la materia. La energía y la materia son los grandes enigmas de nuestra existencia y cada vez me cercioro más de que en realidad no vamos a ninguna parte, nos expandimos en el infinito.