O universo cuántico

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

• Astrofisika

O catro forzas

A forza nuclear débil e violenta son forzas de tempos curtos, xa que a súa influencia maniféstase a distancias moi pequenas. O seu efecto desaparece rapidamente si aumenta a distancia. Este tipo de forzas concéntranse no mundo dos núcleos atómicos. Superando o diámetro do núcleo, estas forzas desaparecen paira efectos prácticos. O núcleo formado polas forzas nucleares é moi pequeno e paira estudar os fenómenos que se producen no seu interior necesitamos da física cuántica. Neste submundo, tan afastado da experiencia cotiá, predominan as leis de indeterminación de Heisenberg.

O campo controlado pola forza electromagnética atópase na zona de transición. Nesta zona danse numerosos fenómenos diferentes, destacando as reaccións químicas. É máis, os complexos compostos necesarios paira crear o tipo de vida que coñecemos na experiencia diaria só se dan no campo da forza electromagnética. Por iso a vida definiuse nalgún momento como enerxía electromagnética formada. Esta forza tan importante paira comprender adecuadamente o mundo das dimensións medias empeza a perder importancia cando as distancias a escala espacial son cada vez maiores, e nas zonas interestelar e intergaláctico a súa influencia desaparece.

A nivel macroscópico, esa forza tan importante de fondo que é a única forza que aparece na súa totalidade, empeza a perder importancia cando as distancias a escala espacial son cada vez maiores, e nas zonas interestelar e intergaláctico a súa influencia desaparece.

A nivel de macrocosmos, a única forza que predomina na súa totalidade é a da gravitación. Esta forza constrúe a estrutura do universo astronómico de planetas, estrelas, galaxias, conxuntos de galaxias. Os fenómenos desta escala dependen das leis da relatividad, máis concretamente da relatividad xeneral.

Teoría do Espazo Común

Antes de construír a física, na mecánica de Newton postúlase unha contorna concreta no que se moven os corpos de materia. O marco preconfigurado está relacionado co espazo e o tempo absolutos. Sen el non hai medida nin física. A interacción entre o medio e os corpos de materia non pode existir, é dicir, o envase é independente do contido.

Einstein, na teoría da relatividad xeneral, une o espazo e o tempo dese marco, vinculando así ás primeiras categorías independentes. Nun segundo paso, este sistema de referencia espazo-temporal considérao a única realidade física do Universo.

Esta nova realidade, que xa non será un marco lento, senón un marco emprendedor, a través do cal deberemos entender todos os fenómenos que aparecen na Natureza. A liña espacial/temporal definirase mediante unha métrica cuxa forma corresponde á variedade en catro dimensións de Riemann. Calquera punto da liña definirase mediante tres coordenadas espaciais, sendo o cuarto tempo

Segundo os últimos descubrimentos astronómicos, esta métrica espacial/temporal é dinámica e estase expandindo a través do impulso orixinal do Big Bang. Como resultado do traballo de De Sitter sabemos que o despregamento desta métrica é compatible coas ecuacións de campo de Einstein. No Universo así definido, a liña espacial/temporal presenta una curvatura que é variable coa expansión do Universo.

Así as cousas, onde se pode atopar a materia no marco espacial e temporal de Newton?. Na teoría da relatividad xeneral, a materia segue como parte activa, pero nun status ontológico similar ao da liña espacial/temporal.

A materia, definida pola variedade, describirase como una irregularidade local da liña espacial/temporal. Por tanto, trátase dunha zona con gran curvatura da liña non euclídea.

Se engadimos curvatura media a todo o cosmos, nun intervalo curto dese Cosmo (por exemplo, interplanetario) pódese obviar esta curvatura. A mesma razón é aínda máis válida si traballamos a escala atómica ou subatómica. Ao chegar a este punto prodúcese una contradición evidente, xa que, en función da relatividad xeneral, a materia será a deformación da liña espacial/temporal V 4, polo que a nivel atómico, a materialidad do átomo deberá ser o resultado da deformación da liña, en contra do anteriormente devandito.

Esta pantasma estivo por detrás da relatividad desde o seu nacemento, e a única solución posible é estender a geometrización relativista do macrocosmos ao microcosmos. Deste punto de partida xorden precisamente os intentos de obter teorías sobre campos converxentes de Einstein, Kaluza, Weyl, Eddington ou Schrodinger.

Nun principio, Einstein expresou o seu desexo de unir o campo electromagnético e o gravitatorio. Pero non o conseguiu. Hoxe en día esta obra segue sendo máis complexa que na época de Einstein, xa que os campos que agora se deben unir son xa catro como se dixo anteriormente (nuclear forte, nuclear débil, electromagnética e gravitatoria). (2)

Gravitación cuántica

Como xa se mencionou anteriormente, nas escalas espaciais que explora a física experimental de hoxe, aparece una gradación de forzas que están moi relacionadas coa escala espacial. A jerarquización destas forzas e escalas espaciais permite obter o seguinte esquema:

Ante esta situación, enseguida chéganos una pregunta. Que pasará por baixo dos 10 - 14 cm? Sería posible detectar distancias tan superpequeñas?. Neste caso, cales serían as forzas que actúan sobre estas dimensións? Como se pode expor a unidade de todas as forzas?.

Os físicos actuais, por diversas razóns, consideran que a forza que predomina nesas distancias supercortas é a da gravitación. Pero, a que distancia referímonos?. Como elixir una distancia como referencia de todos os fenómenos físicos?

Esa distancia tan importante paira a referencia existe na Física e publicouse cara a 1899. A esta distancia chamámoslle distancia de Planck.

A relatividad reducida, a relatividad xeneral e a mecánica cuántica son tres teorías que corresponden a cada una delas una constante fundamental. Así

Con este tres constantes temos una única posibilidade de alcanzar una lonxitude básica que se obtén entre 2.10 e 33 cm.

Esta lonxitude sería o cuántico da lonxitude, é dicir, a menor distancia que se pode obter con sentido físico.

Aquí prodúcese un gran obstáculo físico. A física experimental non pode acceder a leste submundo tan pequeno. Lembra que a lonxitude de Planck é 100 veces menor que a dimensión do radio do neutrón. Paira acceder a estas profundidades da distancia necesitariamos un acelerador de fraccións do tamaño da nosa galaxia.

De todos os xeitos, non o temos todo perdido, porque alí onde non chega a física experimental, pode chegar a física teórica. E precisamente por ese camiño están a concentrarse todos os esforzos paira poder obter una teoría do campo común.

Como se mencionou anteriormente, os físicos creen que a forza que domina estas distancias superpequeñas é a da gravitación. Sheldon Glashow, gañador do Premio Nobel, describía esta situación dunha maneira especial. Paira el, inventou a imaxe dunha serpe que morde a cola paira explicar as forzas da Natureza e os campos de acción correspondentes. Segundo isto, a física a escala de Planck pecharía un círculo (como fai a serpe ao atar a cola coa boca), no que as distancias macrocósmicas e microcosmicas dependerían da gravitación.

Neste sentido, paira redondear e consolidar adecuadamente a física actual, os fenómenos da escala dos Planck deben unirse á gravitación, e paira realizar calquera estudo nestas dimensións microscópicas necesitamos una mecánica cuántica. Por iso, nos últimos anos creouse poderosamente una nova rama da física: Gravitación cuántica.

OBSERVACIÓNS:

Mentres escribía este artigo, difundiuse o descubrimento da quinta forza. Esta quinta forza tamén sería gravitatoria. Ata que teñamos máis datos e contrastaciones non mencionaremos esta nova forza. No entanto, a esencia do artigo segue sendo útil na súa totalidade. Lembrar o indicado en (1) nota.

Bibliografía:

ASHTEKAR, A.: A gravitación '. A Recherche, Xaneiro 1985. GEORGI, H.: "Teoría unificada das particulas elementais e das forzas". Scientific American, Xuño 1981. HILGER, A.: 'Quantum Theory Of Gravitation: Essays in honra of B.B. De Witt ". 1984. PENROSE, R. 'Large Scale Structure Of Space-Time'. Cambridge University Press, 1973. WILSON, K: - Scientific American, Agosto 1980.