El universo cuántico

1986/08/01 Martinez Lizarduikoa, Alfontso Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika

Las cuatro fuerzas

La fuerza nuclear débil y violenta son fuerzas de tiempos cortos, ya que su influencia se manifiesta a distancias muy pequeñas. Su efecto desaparece rápidamente si aumenta la distancia. Este tipo de fuerzas se concentran en el mundo de los núcleos atómicos. Superando el diámetro del núcleo, estas fuerzas desaparecen para efectos prácticos. El núcleo formado por las fuerzas nucleares es muy pequeño y para estudiar los fenómenos que se producen en su interior necesitamos de la física cuántica. En este submundo, tan alejado de la experiencia cotidiana, predominan las leyes de indeterminación de Heisenberg.

El campo controlado por la fuerza electromagnética se encuentra en la zona de transición. En esta zona se dan numerosos fenómenos diferentes, destacando las reacciones químicas. Es más, los complejos compuestos necesarios para crear el tipo de vida que conocemos en la experiencia diaria sólo se dan en el campo de la fuerza electromagnética. Por eso la vida se ha definido en algún momento como energía electromagnética formada. Esta fuerza tan importante para comprender adecuadamente el mundo de las dimensiones medias empieza a perder importancia cuando las distancias a escala espacial son cada vez mayores, y en las zonas interestelar e intergaláctico su influencia desaparece.

A nivel macroscópico, esa fuerza tan importante de fondo que es la única fuerza que aparece en su totalidad, empieza a perder importancia cuando las distancias a escala espacial son cada vez mayores, y en las zonas interestelar e intergaláctico su influencia desaparece.

A nivel de macrocosmos, la única fuerza que predomina en su totalidad es la de la gravitación. Esta fuerza construye la estructura del universo astronómico de planetas, estrellas, galaxias, conjuntos de galaxias. Los fenómenos de esta escala dependen de las leyes de la relatividad, más concretamente de la relatividad general.

Teoría del Espacio Común

Antes de construir la física, en la mecánica de Newton se postula un entorno concreto en el que se mueven los cuerpos de materia. El marco preconfigurado está relacionado con el espacio y el tiempo absolutos. Sin él no hay medida ni física. La interacción entre el medio y los cuerpos de materia no puede existir, es decir, el envase es independiente del contenido.

Einstein, en la teoría de la relatividad general, une el espacio y el tiempo de ese marco, vinculando así a las primeras categorías independientes. En un segundo paso, este sistema de referencia espacio-temporal lo considera la única realidad física del Universo.

Esta nueva realidad, que ya no será un marco lento, sino un marco emprendedor, a través del cual deberemos entender todos los fenómenos que aparecen en la Naturaleza. La línea espacial/temporal se definirá mediante una métrica cuya forma corresponde a la variedad en cuatro dimensiones de Riemann. Cualquier punto de la línea se definirá mediante tres coordenadas espaciales, siendo el cuarto tiempo

Según los últimos descubrimientos astronómicos, esta métrica espacial/temporal es dinámica y se está expandiendo a través del impulso original del Big Bang. Como resultado del trabajo de De Sitter sabemos que el despliegue de esta métrica es compatible con las ecuaciones de campo de Einstein. En el Universo así definido, la línea espacial/temporal presenta una curvatura que es variable con la expansión del Universo.

Así las cosas, ¿dónde se puede encontrar la materia en el marco espacial y temporal de Newton?. En la teoría de la relatividad general, la materia sigue como parte activa, pero en un status ontológico similar al de la línea espacial/temporal.

La materia, definida por la variedad, se describirá como una irregularidad local de la línea espacial/temporal. Por lo tanto, se trata de una zona con gran curvatura de la línea no euclídea.

Si añadimos curvatura media a todo el cosmos, en un intervalo corto de ese Cosmo (por ejemplo, interplanetario) se puede obviar esta curvatura. La misma razón es aún más válida si trabajamos a escala atómica o subatómica. Al llegar a este punto se produce una contradicción evidente, ya que, en función de la relatividad general, la materia será la deformación de la línea espacial/temporal V 4, por lo que a nivel atómico, la materialidad del átomo deberá ser el resultado de la deformación de la línea, en contra de lo anteriormente dicho.

Este fantasma ha estado por detrás de la relatividad desde su nacimiento, y la única solución posible es extender la geometrización relativista del macrocosmos al microcosmos. De este punto de partida surgen precisamente los intentos de obtener teorías sobre campos convergentes de Einstein, Kaluza, Weyl, Eddington o Schrodinger.

En un principio, Einstein expresó su deseo de unir el campo electromagnético y el gravitatorio. Pero no lo consiguió. Hoy en día esta obra sigue siendo más compleja que en la época de Einstein, ya que los campos que ahora se deben unir son ya cuatro como se ha dicho anteriormente (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria). (2)

Gravitación cuántica

Como ya se ha mencionado anteriormente, en las escalas espaciales que explora la física experimental de hoy, aparece una graduación de fuerzas que están muy relacionadas con la escala espacial. La jerarquización de estas fuerzas y escalas espaciales permite obtener el siguiente esquema:

Ante esta situación, enseguida nos llega una pregunta. ¿Qué pasará por debajo de los 10 - 14 cm? ¿Sería posible detectar distancias tan superpequeñas?. En este caso, ¿cuáles serían las fuerzas que actúan sobre estas dimensiones? ¿Cómo se puede plantear la unidad de todas las fuerzas?.

Los físicos actuales, por diversas razones, consideran que la fuerza que predomina en esas distancias supercortas es la de la gravitación. Pero, ¿a qué distancia nos referimos?. ¿Cómo elegir una distancia como referencia de todos los fenómenos físicos?

Esa distancia tan importante para la referencia existe en la Física y se publicó hacia 1899. A esta distancia le llamamos distancia de Planck.

La relatividad reducida, la relatividad general y la mecánica cuántica son tres teorías que corresponden a cada una de ellas una constante fundamental. Así

Con estas tres constantes tenemos una única posibilidad de alcanzar una longitud básica que se obtiene entre 2.10 y 33 cm.

Esta longitud sería el cuántico de la longitud, es decir, la menor distancia que se puede obtener con sentido físico.

Aquí se produce un gran obstáculo físico. La física experimental no puede acceder a este submundo tan pequeño. Recuerda que la longitud de Planck es 100 veces menor que la dimensión del radio del neutrón. Para acceder a estas profundidades de la distancia necesitaríamos un acelerador de fracciones del tamaño de nuestra galaxia.

De todas formas, no lo tenemos todo perdido, porque allí donde no llega la física experimental, puede llegar la física teórica. Y precisamente por ese camino se están concentrando todos los esfuerzos para poder obtener una teoría del campo común.

Como se ha mencionado anteriormente, los físicos creen que la fuerza que domina estas distancias superpequeñas es la de la gravitación. Sheldon Glashow, ganador del Premio Nobel, describía esta situación de una manera especial. Para él, inventó la imagen de una serpiente que muerde la cola para explicar las fuerzas de la Naturaleza y los campos de acción correspondientes. Según esto, la física a escala de Planck cerraría un círculo (como hace la serpiente al atar la cola con la boca), en el que las distancias macrocósmicas y microcosmicas dependerían de la gravitación.

En este sentido, para redondear y consolidar adecuadamente la física actual, los fenómenos de la escala de los Planck deben unirse a la gravitación, y para realizar cualquier estudio en estas dimensiones microscópicas necesitamos una mecánica cuántica. Por ello, en los últimos años se ha creado poderosamente una nueva rama de la física: Gravitación cuántica.

OBSERVACIONES:

Mientras escribía este artículo, se ha difundido el descubrimiento de la quinta fuerza. Esta quinta fuerza también sería gravitatoria. Hasta que tengamos más datos y contrastaciones no mencionaremos esta nueva fuerza. No obstante, la esencia del artículo sigue siendo útil en su totalidad. Recordar lo indicado en (1) nota.

Bibliografía:

ASHTEKAR, A.: La gravitación '. La Recherche, Enero 1985. GEORGI, H.: "Teoría unificada de las particulas elementales y de las fuerzas". Scientific American, Junio 1981. HILGER, A.: 'Quantum Theory Of Gravitation: Essays in honor of B.B. De Witt ". 1984. PENROSE, R. 'Large Scale Structure Of Space-Time'. Cambridge University Press, 1973. WILSON, K: - Scientific American, Agosto 1980.