Mundo cuántico

El Misterio Está en la Masa

Como hemos visto, aunque pudiéramos eliminar todo cuanto existe en el espacio aún seguiría existiendo algo, pues el vacío está muy lleno, y una de las cosas que podríamos encontrar en el vacío es el famoso bosón de Higgs que cuando fue encontrado  la gente preguntaba ¿pero qué es eso del bosón? Algunos contestaban: es el que da la masa.
¿Pero qué es un bosón? ¿Qué es eso de que da la masa? ¿Por qué Higgs?
Pero…vayamos por partes
 
Si nos damos un paseo y cogemos una piedra del camino, tenemos claro que tiene masa, la podemos sentir en nuestras manos y pensamos de ella que es algo propio de su naturaleza tenerla, pues de lo contrario, no existiría. Pero la piedra, como todo cuanto nos rodea, está compuesta por millones y millones de átomos y dentro de cada uno de ellos existen una serie de partículas denominadas protones, neutrones y electrones. 
Los protones y neutrones están constituidos por partículas aún más pequeñas que se denominan quarks. Los electrones son, de por sí, una partícula elemental. Todas las partículas elementales pueden dividirse en dos grupos: las de materia (fermiones) y las de fuerza (bosones), los quarks y los electrones pertenecen a la primera. Los bosones se encargan de transmitir la fuerza que se da entre las partículas. Cada fuerza fundamental tiene su partícula encargada de realizar esta labor, así la fuerza electromagnética tiene al bosón fotón para transmitirla, la fuerza nuclear fuerte al bosón gluón, la débil tiene a los bosones W y Z y aún queda por encontrar al  “gravitón” que sería el portador de la fuerza gravitatoria.
 
 
Bien, hasta aquí ya tenemos localizado al bosón… pero ¿y el Higgs?
 
El Modelo Estándar de física de partículas (teoría que combina la mecánica cuántica con la de la relatividad y establece ecuaciones que predicen la existencia de un gran número de partículas) no permitía que algunas de ellas tuvieran masa (los bosones W y Z), pero resultó que sí, que la tenían. Entonces, algunos científicos allá por los sesenta, se pusieron a investigar el tema y se preguntaron por qué unas partículas tenían mucha masa como los quarks, los electrones muy poca y los fotones no tenían ninguna.
 
Peter Higgs
Entonces aparece en escena Peter Higgs, junto con otros científicos como F. Englert y R. Brout  para ponerle un pequeño “parche” a la Teoría Estándar y que todo encajara como debiera, respetando la masa de esas díscolas partículas. Y es aquí cuando surge el “Campo de Higgs”. La forma más popular de explicar dicha hipótesis es mediante la siguiente analogía:
 Imaginemos un océano donde nada felizmente un pez que es un auténtico velocista, se desliza perfectamente por el agua y apenas ésta le pone resistencia, detrás de él nada agotado un submarinista, entrado en carnes, que avanza a duras penas sintiendo como el agua frena su ambición de alcanzar el pez. Pues bien, el océano vendría a ser el campo de Higgs, extendiéndose por todo el vacío, frenando a unas partículas más que a otras al avanzar por él, cuanto más le frena más masa tienen (como el submarinista-quark) cuanto menos interactúa con el medio, menos masa (como el pez-electrón). Al fotón no lo frena nadie, por lo que no tiene masa.
 
 
Así pues, la masa no es una propiedad intrínseca de la partícula, sino el resultado de una interacción con el campo de Higgs.
 
 
 
Pero ¿de qué está hecho el campo de Higgs?
Pues de bosones de Higgs y aquí se cierra el círculo. Lo mismo que el agua está compuesta de partículas de H2O, el campo de Higgs está formado por los bosones encargados de transmitir la masa, como los bosones que vimos antes, de transmitir fuerza.
Así que si alguna vez pensaste como Newton que la materia estaba formada por partículas sólidas con masa, pues va a resultar que era una ilusión, que no es más que una actividad de campos cuyas interacciones apenas se vislumbra.
 
Pero ¿por qué el bosón de Higgs es tan importante?
 
Peter Higgs recibiendo el premio Nobel
Porque todo cuanto existe está constituido por átomos, si éstos no tuvieran masa no existiría la materia, por lo cual el universo sería un lugar muy distinto, no existiría la biología, ni la química, ni la piedra del camino, ni, por supuesto, nosotros. Así pues, no me extraña que todos estuvieran tan contentos cuando en julio de 2012 el CERN anunció haber detectado una partícula tipo bosón que parecía coincidir con la predicha por Peter Higgs en 1964. 
 
 La realidad volvía estar dentro de los cauces establecidos, menos mal.
Pero el bosón de Higgs es un misterio de por sí. Se especula que podría ser una llave para una nueva física, porque hasta ahora todas las partículas descubiertas o son de materia o son de interacción, pero el Higgs… ¿Qué es el Higgs? Podría ser la manifestación de algo mayor, como un siguiente nivel que nos ayudaría a entender mejor los secretos del universo.
 
 
 
 
 
 
 
Referencias:
– El espejismo de la ciencia. Rupert Sheldrake

El Fantasma de Einstein

Bohr y Einstein

Albert Einstein creía que la física estaba sometida a unas reglas predeterminadas y que el azar sólo existía en apariencia. Por eso, no se llevaba precisamente bien con las conclusiones adoptadas por la física cuántica, donde todo es probabilidad y donde las cosas no están determinadas mientras no sean observadas o medidas.

Retaba a Bohr y a sus colegas con acertijos extraños con la única intención de atacar las ideas básicas de la mecánica cuántica, como «El principio de incertidumbre de Heisenberg».

Sin embargo, al final era el propio Einstein el que salía derrotado. Incansable y fiel a la idea de que “Dios no juega a los dados” decidió seguir atacando, pero esta vez intentando demostrar que la física cuántica tenía que ser “no local”, es decir, que las partículas que se encuentran separadas en el espacio interactúan gracias a una acción a distancia sin que exista mecanismo alguno, como veremos más adelante. Para demostrarlo, elaboró en 1935 un experimento mental, junto con los físicos Podolsky y Rosen, llegando a ser conocido por sus iniciales: La Paradoja EPR.

Dios jugando a los dados

Einstein- Podolsky- Rosen

Este experimento se basaba en el comportamiento de dos partículas que procedían de una fuente común, por ejemplo, imaginemos que un electrón (carga negativa) y un positrón (electrón con carga positiva) se encuentran y se aniquilan mutuamente lo que da como resultado un par de fotones. Esos fotones se dicen que están entrelazados, es decir, poseen un mismo estado cuántico difuso sin propiedades definidas, como si fueran una misma partícula.

Dos partículas entrelazadas dirigiéndose en direcciones opuestas hacia lugares muy lejanos

Pues bien, estas partículas entrelazadas salen disparadas en direcciones opuestas, a un distancia que podría ser muy, muy lejana, y entonces, si se intentara medir (observar) la característica de alguna de ellas, como por ejemplo, su orientación INSTANTÁNEAMENTE, la otra partícula adoptaría una orientación opuesta, porque las partículas entrelazadas se complementan, es decir, debía existir una comunicación instantánea desde la primera partícula a la segunda, informándole sobre el valor complementario que debía adoptar tras ser medida.
Lo verdaderamente curioso al hablar de que algo sucede al instante, sobre todo entre dos partículas que podrían estar separadas por años luz de distancia, es que esa comunicación debía suceder a una velocidad superior a la de la misma luz, algo que violaba la teoría de la Relatividad de Einstein por lo que tendría que existir, lo que él consideraba burlonamente como una “acción fantasmal” a distancia, que haría que las cosas pudieran influirse las unas a las otras, aunque estuvieran muy separadas entre sí, mediante unas “conexiones ocultas” o lo que es lo mismo: que la realidad no era local.

Velocidad luz

Evidentemente, Einstein no estaba de acuerdo con esta idea porque su espíritu determinista le obligaba a creer que las características de las partículas eran fijas y, por lo tanto, no había ninguna información que transmitir de forma instantánea, lo que sucedía era que no podíamos conocerlas porque la teoría cuántica era incompleta, es decir, que existía “algo” que se le escapaba, que no contemplaba. Y así se quedaron las cosas entre ambos científicos, porque no existían los medios técnicos para realizar dicho experimento, hasta que en 1982, el físico francés Alain Aspect consigue  realizarlo mediante fotones, demostrando que la Paradoja EPR se cumplía. Años después se consigue realizar con electrones llegando a las mismas conclusiones.

Einstein había sido derrotado, la acción fantasmal existía, la física cuántica vencía y el resultado fue que la realidad no sólo dependía de la observación (medición) para que pudiese adquirir características definidas, sino que además, las partículas entrelazadas compartían una misma existencia, formando un sistema inseparable y con capacidad para transmitirse, como una verdad instantánea, toda circunstancia que pudiera afectar a cualquiera de ellas, sin importar la distancia.

Desde entonces se investiga la aplicación práctica del entrelazamiento cuántico. Se han hecho avances en el campo de la criptografía cuántica (algo que no gustará mucho a los espías), computación cuántica y como medio para desarrollar la teletransportación, es decir, mover objetos de un lado para otro de forma instantánea. Esta última es la aplicación más popular, sobre todo en el campo de la ciencia ficción. Tenemos como ejemplo la película “La mosca” basada en la novela de George Langelaan de 1957, donde un científico se transforma en mitad humano, mitad mosca al sufrir un accidente con su máquina  teletransportadora.


Pero, donde es especialmente conocida, es en la serie de televisión “Star Trek” donde se narraban las aventuras de la nave espacial “Enterprise” que disponía de una sofisticada máquina capaz de teletransportar a los miembros de la tripulación a la superficie de los planetas cercanos.


Sin embargo, la idea del teletransporte, tal y como se sueña en la ciencia ficción, no parece que pueda ser posible… 

¡ni así que pasen mil años de tecnología! por varias razones.

En primer lugar, en el teletransporte no se envía materia de un lado a otro, sino que se copia el original y luego se transmite al lugar donde se quiere que llegue. Y aquí surgiría un grave problema porque, tal y como nos dejó claro Heisenberg con su “principio de incertidumbre”, no podríamos copiar las partículas de un cuerpo porque al observarlas las alteraríamos ¡así es la extraña realidad donde nos ha tocado existir!
El entrelazamiento cuántico podría ayudar a solventar este problema, ya que se transmitiría, de forma indirecta, parte de la información sin cambiarla. Esta idea, es quizás un poco compleja de entender, por ello os dejo aquí un enlace muy ameno  y explicativo, por si queréis profundizar más en el tema:

El Tamiz: Cuántica sin fórmulas- teletransporte cuántico


Aún así, tendríamos otro problema más y esta vez de profundidad filosófica, pues una vez copiado el original, éste se destruye… es lo que yo llamaría un “pequeño inconveniente” a la hora de transportar personas, ¿no? Si consiguiéramos realizar una copia “exacta en todo” de nosotros mismos, al margen de tener que enviar una cantidad de información inimaginable, al destruirse el original… ¿Seguiríamos existiendo en una copia de nuestro cuerpo? ¿Moriríamos?  ¿Se podría teletransportar la conciencia?


Lo que sí parece factible es utilizar el teletransporte cuántico para transmitir información de forma instantánea sin importar la distancia. En este sentido, ya se han hecho los primeros avances, como podemos ver en el siguiente enlace:

Teletransportan un laser con un mensaje de sonido a un metro de distancia

Logran que dos diamantes puedan comunicarse entre sí mediante entrelazamiento cuántico

Referencias:
– Discusiones entre Einstein y Bohr
–Teletransporte Cuántico

El Vacío de la Nada

¿Te has preguntado alguna vez qué es la Nada?

Imagina que tuvieras unos brazos gigantescos para poder arrancar el cielo, la tierra, el mar, los seres vivos, nuestro planeta, todos planetas, las estrellas, nuestra galaxia, todas las galaxias… para después, dejarlo caer todo a través de un agujero hacia ninguna parte, y hecho esto, desaparecer tú con el propio agujero, y así no existir absolutamente nada, ni siquiera una conciencia que pudiera dar fe de lo acontecido. O mejor aún, imagínate que jamás ha existido algo, ni siquiera el silencio o la oscuridad o la ausencia de algo… pensar en la posibilidad de la “existencia” de la “no existencia” de Nada, es un absurdo. Sin embargo, estamos aquí, así que, o existe la Nada y nosotros a la vez, o existió la Nada y ya no porque existimos nosotros, o nunca existió la Nada. 

Un misterio, sí

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Los filósofos de la antigua Grecia nunca creyeron en su existencia, no la consideraban como el «no-ser«, simplemente para ellos era algo impensable como realidad. Parménides decía “De la Nada nada proviene” pero ..

¿Es esto cierto? ¿Surgió nuestro universo de la Nada?

Eso supondría aceptar que antes hubo un momento donde no existía y después sí, es decir como si hubiera sido… 

¿Creado? Pero, ¿creado por quien si no existía nada?

Y peor aún, cuando surgió el universo, según la teoría del Big Bang, también lo hizo el tiempo, por lo cual 

¿Cómo situar un antes y un después del universo?

Además, el universo se está expandiendo… pero, si el universo surgió de la Nada significa que no existe nada más que el universo, entonces …

¿Sobre qué se expande?

Todas estas preguntas pertenecen al mundo de la metafísica y, desde los tiempos más remotos de la humanidad hasta nuestros días, nadie ha podido dar una respuesta clara al misterio de la Nada, sin embargo, mucho se ha especulado e investigado sobre el tema.

Un poco de humor para llenar el vacío

Pero, dejemos de ver la Nada como un ente monstruoso e inexplicable y centrémonos en el concepto del vacío como ese lugar pequeño y misterioso que separa las cosas impidiendo que estén pegadas una a otras, que hace posible las formas y los límites de todo cuanto existe.

En el siglo XIX se pensaba que el espacio vacío estaba lleno por una sustancia denominada éter, como vimos en la entrada “Malditas Interferencias”. Sin embargo, la relatividad especial de Einstein mostró que no era necesaria la existencia de éter, sustituyéndolo por un modelo donde el espacio vacío puede ser descrito sin esta sustancia.

En la física clásica, un campo es la zona de influencia de una fuerza como la gravedad o el electromagnetismo, pero en la mecánica cuántica los campos se forman mediante intercambio de energía. Todas las partículas elementales interactúan entre sí intercambiando energía a través de partículas “virtuales” llamadas así porque surgen de la Nada, se combinan entre ellas y se aniquilan inmediatamente produciendo fluctuaciones de energía. Pues bien, La energía de estos campos no es cero; aunque es muy pequeña localmente, si se consideran todas las fluctuaciones de energía del vacío a escala cósmica, la magnitud total sería enorme. Superaría toda la energía de la materia por

Richard Feynman dijo que la energía contenida en un metro cúbico de espacio podría hacer hervir todos los océanos del mundo. A esta energía se la conoce como Energía del Punto Cero. 


Así pues, el vacío está… muy lleno

Partícula-antipartícula aniquilación inmediata

Si retornamos a la afirmación de Parménides sobre que «de la Nada nada proviene» la física cuántica nos ofrece una perspectiva distinta, sugiriendo que el universo podría surgir como una fluctuación cuántica de lo que percibimos como «Nada». Como hemos visto, una fluctuación cuántica consiste en que puede surgir de forma espontánea una partícula y su antipartícula aniquilándose de inmediato, y así, aunque de la Nada no puede surgir materia, si podría hacerlo materia más antimateria porque el resultado sería cero.

En el universo existen dos tipos de energía: la gravitatoria que es negativa y la materia-energía que es positiva. Esta última, a su vez, está formada por la materia-energía ordinaria que es la cotidiana y representa un 5%, la materia oscura que es un 25% y la energía del vacío que supone el 70%. Pues bien, la energía gravitatoria se corresponde con la suma de las tres, por lo que la energía total del universo es nada.

En 1974 el físico Edward Tryon propuso que nada se consumió en la aparición del universo ya que su energía total es nula, como se pudo comprobar experimentalmente en el año 2003. Esto sería compatible con el Primer Principio de la Termodinámica de conservación de la masa-energía. Como la energía gravitatoria es negativa, se compensa la energía contenida en la materia-energía. Otros científicos han seguido una línea de pensamiento como el nobel Illya Prigogine.

Al parecer no es necesario ser Dios para crear el universo, ni tampoco poseer una potencia infinita. Podría ser causa del azar o incluso una civilización que dominara el conocimiento completo de las leyes de la física podría llevar a cabo esta tarea. Lo que pasa es que nuestro universo es demasiado singular, demasiado ajustado hacia la generación de vida como para ser una simple cuestión de azar, pero ese es otro tema…

Referencias:

  • El espíritu de la ciencia. David Lorimer
  • El experimento de la intención. Lynne McTaggart

La Implacable Kitty Pryde

El mundo del cómic está lleno de proezas inimaginables. Los superhéroes, tan de moda en el cine hoy en día, nos enseñan miles de formas distintas de violar las leyes de la física en pro de la defensa de la humanidad y de la justicia. Un desafío constante a las reglas de la lógica se despliega en cada aventura envolviéndonos en una realidad fantástica .De entre todos estos poderosos personajes existe una heroína con una habilidad muy curiosa. Se trata de Kitty Pryde (Shadowcat), mutante miembro de los X-Men capaz de atravesar la materia sólida alterando la vibración de sus átomos, en un proceso llamado fase que la hace inmune al daño físico (porque atravesar una pared imagino que tiene que doler). Es decir, que gracias a su poder podía pasar a través de sólidos muros de piedra, viajar bajo tierra o interferir en los sistemas eléctricos. La habilidad de Kitty la hace prácticamente invulnerable. Y es que el desconcertante mundo de la imaginación se pueden hacer cosas imposibles…

Video tributo a Kitty Pryde


¿O no tan imposibles?

La realidad nos dice que ninguna materia sólida puede atravesar a otra si no lleva la energía suficiente para hacerlo. Si, por ejemplo, estuviéramos jugando al baloncesto en una cancha separada por una pared de hormigón de la cancha de al lado, por mucho que nos faltara espacio para atrapar al balón parece inimaginable que pudiéramos atravesar la pared y llegar a la cancha vecina, ya que no somos Kitty Pryde… sin embargo, en el maravilloso universo de la física cuántica esto


SI ES POSIBLE

Imaginemos que tenemos un fotón o un electrón y lo disparamos contra una pared (que puede ser física o una barrera energética), pero careciendo de la suficiente energía para atravesarla. Según la mecánica cuántica, las ondas de probabilidad asociadas a la partícula pasan por encima de la pared por lo que, de vez en cuando, la partícula podrá abrirse paso a través de ella saltando de una parte a otra de su onda de probabilidad.

Todo comienza con Heinsenberg y su Principio de Incertidumbre. Y es que no sólo demostró que es imposible determinar con precisión la posición y la velocidad de una partícula sino, también, la imposibilidad de precisar la cantidad de energía respecto al tiempo que la posee. Es decir, que la energía que tiene una partícula puede fluctuar en un periodo de tiempo suficientemente corto. Por medio de la fluctuación cuántica se produce un cambio en la cantidad de energía de una partícula violando momentáneamente el principio de conservación de ésta, ya que este principio niega que la energía pueda crearse o destruirse. 

En la física clásica todos los sistemas evolucionan a estados de menor energía, pero en el mundo de  la mecánica cuántica se permite todo lo contrario, ya que una partícula la puede “tomar prestada”  siempre que la devuelva en un espacio de tiempo suficientemente rápido. Es decir, el principio de incertidumbre permite la aparición de pequeñas cantidades de energía a partir de la NADA, siempre que desaparezcan en un tiempo muy breve. Cuanto mayor sea la energía prestada, menor será el tiempo que se le permitirá poseerla. Este “préstamo” dota a las partículas microscópicas del poder de entrar y abrirse camino, como en un túnel, atravesando una zona para la que inicialmente no poseían la energía necesaria.

El efecto túnel es un suceso aleatorio, por lo cual, lo máximo que puede hacer es predecir la probabilidad de que suceda en un intervalo u otro. Las matemáticas nos dicen que si esperamos el tiempo suficiente se puede penetrar cualquier barrera. Pero, este fenómeno no es sólo algo matemático, sus efectos pueden ser medidos en el laboratorio y se ha demostrado que es el “culpable” de la desintegración radiactiva. Porque aunque los núcleos de los átomos son estables debido a la fuerza nuclear fuerte existe una pequeña probabilidad de que protones y neutrones escapen mediante el efecto túnel a través de la gran barrera de energía de dicha fuerza nuclear. Es por ello que los núcleos de uranio se desintegran cuando no debían de hacerlo. De hecho, el Sol no brillaría sin el efecto túnel porque para que los núcleos de hidrógeno se acerquen lo suficiente para fusionarse deben atravesar la barrera creada por la repulsión electromagnética de sus protones.

El fenómeno del efecto túnel se ha conseguido utilizar para determinadas aplicaciones como, por ejemplo, en la creación del microscopio de efecto túnel utilizado para objetos demasiado pequeños que no pueden ser visualizados mediante microscopios convencionales. Sin embargo, a medida que los objetos microscópicos se van haciendo más complejos, porque están compuestos por más y más partículas, el efecto túnel puede seguir produciéndose, pero es más improbable porque “todas y cada una” de esas partículas tendrían que tener la suerte de abrirse camino juntas. 

Esquema funcionamiento microscopio efecto túnel

Por lo que, desgraciadamente, para los que aspiran a convertirse en Kitty Pryde, o simplemente tengan miedo de despertarse algún día en la casa del vecino, las probabilidades de que los seres humanos pudieran atravesar una pared por medio del efecto túnel es infinitamente pequeña, aunque estuviéramos esperando el tiempo de vida del universo conocido.

Referencias:

– La física de los superhéroes. James Kakalios

– El universo elegante. Brian Green

– Hiperespacio: Una odisea científica a través de universos paralelos. Michio Kaku

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