Taquiones y neutrinos “superlumínicos”.

Haciéndonos eco de la extraordinaria repercusión del posible descubrimiento de neutrinos “superlumínicos” por el CERN (OPERA), recomendamos el magnífico trabajo que sobre el tema aparece en el Blog \”Cuentos Cuánticos\”.

Hacemos la comparación con los taquiones por ser éstos las enigmáticas partículas que viajarían siempre a “mayor velocidad que la luz en el vacío”, poseyendo por ello una masa imaginaria o compleja. (Ver detalles en el artículo recomendado).

El vacío, ¿qué es? -Parte II- (Alejandro Álvarez Silva)

Pero, incluso a nivel no-cuántico, el vacío de la física actual tiene una estructura peculiar que se deduce de las propiedades de la relatividad general einsteniana, sobre todo en lo que se refiere a la identificación de campo gravitatorio y geometría del espaciotiempo.

Como en esta teoría el espaciotiempo no es llano, sino que tiene la estructura de un espacio curvo (matemáticamente, pseudo-riemanniano), la distancia, que en un espacio plano se define por la expresión:

s²= Σ X²  (Para la dimensión dos reproduce el teorema de Pitágoras); tomando X los valores desde 0 hasta n.

en el espacio curvo es:

s²= Σ Gij (X) Xi Xj donde i y j tienen todos los valores entre 0 y n (siendo n la dimensión del espacio).

Las Gij (X) determinan la “métrica”. Y hay que hacer la salvedad de que en relatividad, la coordenada X0 debe interpretarse como el producto del tiempo por la velocidad de la luz, X0=ct.

En relatividad general la presencia de campos gravitatorios modifican las funciones Gij (X) -por tanto, las distancias en el espaciotiempo-, lo que explica las trayectorias curvadas que siguen los cuerpos estelares, la Tierra y la propia luz. Y es que no hay “acción” a distancia como suponía Newton, sino modificación de la propia estructura del espacio. El espacio “vacío”, pues, no tiene existencia objetiva, medible: ¡no es la mera nada!

Al tener el espacio, ahora sí, existencia objetiva, puede “interaccionar” consigo mismo. En ese convencimiento, el holandés W. de Sitter especuló con un modelo de universo que a efectos prácticos era vacío,  es decir, desprovisto de materia y radiación (en el universo real la materia forma como islas que son verdaderamente minúsculas en comparación con el inmenso vacío que las rodea).

Pero, al aplicar las fórmulas de la relatividad general de Einstein, de Sitter no encontró como solución las correspondientes a una geometría plana (como podría parecer al no existir masas), sino que por el contrario indicaban que el espacio se curvaba “al interaccionar consigo mismo”. En dicho espacio de de Sitter no hay materia, ni radiación electromagnética, ni siquiera radiación gravitatoria, sin embargo, las tensiones generadas por la propia curvatura del espacio hacen que la energía no sea nula en él, pero si mínima.

Aparte del universo de de Sitter, Robertson y Walker describieron una serie de espacios generales en los que la autointeracción del espaciotiempo consigo mismo genera parte de la curvatura, y que son unos útiles modelos cosmológicos. Así que hay que suponer que como propiedad general, nuestro espacio debería ser curvo independientemente de la curvatura producida por galaxias, cuásares, etc. que en él se encuentran, por eso resulta chocante que el espacio sea a grandes distancias tan llano como indican nuestras observaciones.

Pues bien, esta estructura se complica aún más si tenemos en cuenta la mecánica cuántica, la otra gran teoría omnipresente en la física moderna.

Por ejemplo, el propio electrón al seguir las leyes cuánticas, aún libre, tiene un comportamiento muy complejo y azaroso, que se deduce de su descripción como campo electrónico, que debe ser cuantizado a su vez en lo que se llama “segunda cuantización”.

La cuantización otorga propiedades discretas a los sistemas (corpúsculos). A tales estructuras se les llama cuantos del correspondiente campo. (Los cuantos del campo electromagnético son los fotones, los del campo de electrones-positrones pueden ser electrones o positrones, los del campo gravitatorio, gravitones, etc.). Y todos los sistemas cuánticos poseen un estado de mínima energía que corresponde, por supuesto, a la ausencia de sus corpúsculos (cero fotones; cero electrones; etc.) y que representaría precisamente el vacío del campo en cuestión.

Pero el hecho de que un campo cuántico se encuentre en su estado de mínima energía, no significa que sus propiedades dejen de tener las características “fluctuantes” de los sistemas cuánticos (es decir, no desaparece). El campo de vacío interactúa, entonces, con la materia imprimiéndole sus huellas y reflejando su presencia a través del comportamiento de ésta. De aquí proviene la multiplicidad de vacíos característica de la teoría cuántica.

 

Viaje en el tiempo I (Divulgación).

Relatividad especial.

Relatividad general. Cuerdas cósmicas.

Agujeros negros.

GRAVEDAD A GRANDES DISTANCIAS.

Daniel Grumiller, de la Universidad Tecnológica de Viena, ha propuesto un modelo de gravedad que trata de conciliar la teoría general de la relatividad con las observaciones astronómicas de objetos situados a grandes distancias. El estudio, titulado ”Model for gravity at large distances”, se ha publicado en arXiv.

Gracias a la teoría de la relatividad general de Einstein puede predecirse con gran precisión el movimiento de los planetas alrededor del Sol, pero, por ejemplo, la velocidad de las estrellas que giran en torno al centro de las galaxias sigue sin poder explicarse satisfactoriamente.

Sin embargo, los cálculos de Grumiller muestran que una ampliación de la teoría de dicha teoría de la relatividad podría contestar a tales preguntas pendientes.

Grumiller ha simplificado la teoría de la gravitación concentrándose en primer lugar en los casos de simetría esférica (que corresponden a campos gravitacionales de planetas, estrellas o galaxias casi esféricas, etc.): “Podemos demostrar matemáticamente qué contribuciones corresponden a la fuerza de la gravedad” (nos dice Grumiller).

Algunas de tales contribuciones son conocidas: la fuerza gravitatoria newtoniana clásica, las correcciones relativistas de Einstein y su constante cosmológica. Sin embargo, aparece una nueva contribución a la gravedad: una fuerza constante que actúa entre dos objetos, con independencia de su distancia, a la que ha bautizado como fuerza Rindler.

El hecho es que las enormes velocidades rotacionales de las estrellas que orbitan los centros galácticos, se han podido describir mejor con las ecuaciones de Grumiller.

También pueden aplicarse a la explicación del desvío observado en las naves espaciales Pioneer 10 y Pioneer 11. Según explica Grumiller: “Las trayectorias observadas se pueden describir de forma correcta si se toma en cuenta una pequeña fuerza adicional, que actúa en dirección del Sol, como es el caso de la fuerza de Rindler”.

El científico destaca que su modelo no se posiciona en cuanto si existe o no la materia oscura.

(Puede leerse la noticia completa aquí)

MATEMÁTICA Y/O FÍSICA

(De la conferencia del profesor Pedro Luis García Pérez titulada “Geometría y física, ¿cara y cruz de una misma moneda?”. Leer aquí)

“El descubrimiento a fines del siglo XIX de geometrías distintas de la euclídea, unido a la revisión de los fundamentos de la física iniciada por Einstein a principios del XX, tuvieron como principal consecuencia la creciente absorción de la física por la geometría. La rígida distinción entre conceptos geométricos y físicos de la etapa anterior se fue difuminando cada vez más a costa del sacrificio del marco euclidiano de la física.”

“Este proceso de absorción creciente de la física arroja, a nuestro juicio, bastante luz sobre la naturaleza de las matemáticas y su relación con el resto de las ciencias.

Desde luego, el desarrollo de la matemática no parece que sea un mero juego lógico tal y como se entiende desde la postura axiomática. Tras el famoso teorema de indecibilidad de Gödel, dicha postura resulta insostenible, frustándose así el viejo sueño de Hilbert de una matemática cerrada en sí misma al modo formal. La evolución experimentada por la geometría , de la que aquí hemos hablado, sugiere algo muy distinto.”

“En este eterno retorno a los fundamentos, podemos tener la fortuna de que se produzca una coincidencia tan grande entre una doctrina matemática y alguna parcela de la ciencia natural, que puedan terminar ambas por hacerse indistinguibles una de otra. Tal parece que es el caso de las teorías geométricas y físicas de las que hemos hablado aquí.”

La gravedad como “fuerza entrópica”

Una muy interesante teoría, altamente original, debida al científico holandés Dr. Eric Verlinde puede verse aquí.

En ella la gravedad es una consecuencia de las leyes de la Termodinámica. La fuerza de la gravedad sería un subproducto de la propensión de la naturaleza a maximizar el desorden.

La gravedad es esencialmente una fuerza entrópica, lo que supondría el fin de la gravedad (teorías del espaciotiempo) como fuerza fundamental de la naturaleza. Ello podría dar al traste (por innecesaria) con la teoría de la energía y materia oscura.

Esta teoría (verla en ARXIV )  implica la asunción de la teoría holográfica, junto con la teoría de cuerdas y la dualidad AdS/CFT, revisando el horizonte de sucesos de los agujeros negros, en donde la gravedad se volvería un fuerza entrópica. En resumen, una teoría lo suficientemente revolucionaria para dar razón de los importantes desafíos en los que desde hace algunos años se encuentra sometida la Cosmología y la misma Física.

Le energía oscura y la expansión del universo

El universo está en expansión acelerada, lo que se explica acudiendo a la llamada “energía oscura”. Para los investigadores Eugenio Bianchi y Carlo Rovelli no hay ningún misterio en esta aceleración cósmica, porque opinan que viene perfectamente predicha en la teoría de la relatividad general al tomar una constante cosmológica no nula, siendo para ellos innecesario acudir a la misteriosa “energía oscura”.

Bianchi y Rovelli ofrecen una respuesta a las tres objeciones más habituales hacia la constante cosmológica:

A la primera objeción conocida ”como el gran error de Einstein” contestan que no fue un añadido a la teoría de Einstein sino una parte integrante y natural de la misma.

A la segunda objeción, “problema de la coincidencia cósmica”, mirando la evolución del universo en función del tiempo cósmico en una escala lineal (no la logarítmica normalmente usada), se puede ver que esta “corta” fase dura la mitad de la vida del mismo, luego no hay una “improbable coincidencia”.

A la tercera objeción, “la energía de vacío”, nos dicen que la constante cosmológica no se puede confundir con nuestra incomprensión de la energía del vacío en QFT (teoría cuántica de campos).

Bianchi y Rovelli opinan que el modelo ACDM es el modelo cosmológico más perfecto, que merece continuar siendo explorado mediante los experimentos, afirmando que es algo engañoso afirmar que la energía oscura es un “gran misterio”, y por supuesto un gran error referirse a ella como una “sustancia”.

(Ver el artículo completo aquí) 

Los estados NOON y el gato de Schrödinger

Los estados NOON fueron introducidos por Sanders como modelo óptico de un gato de Schrödinger, así como la forma en que podrían implementarse utilizando dos brazos de un interferómetro. Cada fotón puede estar en uno u otro brazo, cada uno representando uno de sus dos posibles estados cuánticos.

En el año 2000 se obtuvieron estados NOON con dos fotones, en 2008 con cuatro fotones y ahora Afek et al. ha logrado implementar estados NOON con cinco fotones, usando un interferómetro Mach-Zehnder (equivalente matemáticamente al interferómetro básico de Michelson-Morley).

La importancia del descubrimiento reside en que tales efectos cuánticos permiten mejorar la sensibilidad de los detectores de ondas gravitatorias.

(Ver el artículo completo en el Blog http://francisthemulenews.wordpress.com/)

Experimento cuántico-relativista que confirma la relatividad general einsteniana en su acción sobre el tiempo

En el diario de Ciencia y Tecnología LA FLECHA se expone un mágnífico experimento en que se detalla exactamente la “interferencia” o acción conjunta de la relatividad einsteniana y la mecánica cuántica (corrimiento al rojo gravitacional debido a que las longitudes de onda de la luz se alargan por efecto de la gravedad).

Un haz de átomos de cesio superenfriados se encuentran con un pulso de láser, entonces cada átomo de cesio entra en dos “realidades alternativas”: en una, el láser lo empuja hacia arriba (una diezmilésima de milímetro); en otra, el átomo permanece inmutable dentro del pozo gravitatorio terrestre, más cercano al centro de la Tierra, donde según la RG el tiempo es distinto.

Se originan, pues, dos haces de átomos, uno ligerísimamente por encima del otro, aunque según las leyes de la mecánica cuántica, formando una única entidad, por lo que pueden producir entre sí un patrón de interferencia similar al que produce la luz (todas las partículas en movimiento llevan una onda asociada). Tal “interferómetro atómico”, así construido, es capaz de medir distancias o tiempos mucho más pequeños que los medidos por la luz (interferómetros ópticos). En el experimento se han medido diferencias de tiempo de 10 elevado a menos 28 segundos, lo que supone una precisión 10.000 veces mayor en la confirmación de la validez de la RG.