¿Por qué últimamente la física teórica se ha nutrido de tantas teorías especulativas que, al final, parece ciencia-ficción?

No es así, amigo .

Durante treinta años, los físicos han confiado en una teoría llamada el modelo estándar de la física de partículas, que nos habla de la naturaleza fundamental de la materia y de las fuerzas por medio de las cuales interactúan sus constituyentes fundamentales. Los físicos han puesto a prueba el modelo estándar creando partículas que no han vuelto a estar presentes en nuestro mundo desde los primeros instantes del universo, y han visto que el modelo estándar describe sumamente bien muchas de sus propiedades. Aun así el modelo estándar deja algunas cuestiones sin contestar, cuestiones tan básicas que su solución promete nuevas ideas penetrantes sobre los ladrillos constitutivos de nuestro universo y sobre sus interacciones.

Toda esa confianza desembocó, entre otras cosas, en la incipiente (aún) Teoría de Cuerdas, con sus muchas dimensiones extras, las branas, etc. No ha sido abandonada pese a algunas deserciones por el camino. Quizá quien formula la pregunta queda perplejo ante esta teoría ni demostrada ni siquiera elevada a nivel de conjetura.

Pero nos paramos y reflexionamos un poco.

El mundo de nuestra experiencia se basa en la teoría del núcleo: una teoría cuántica de campos que describe la dinámica y las interacciones de un conjunto de partículas de materia (fermiones) y otras de fuerza (bosones), incluyendo tanto el modelo estándar de la física de partículas como la teoría general de la relatividad.

Los fermiones son las partículas de la materia, ocupan espacio. Los bosones son las partículas portadoras de fuerza, pueden apilarse unos encima de otros originando campos de fuerza macroscópicos como los de la gravedad y el electromagnetismo. La lista completa en cuanto se refiere a la teoría del núcleo, es la siguiente:

FERMIONES

1. Electrón, muón, tauón (carga eléctrica .1)
2. Neutrino electrónico, neutrino muónico, neutrino tautónico (son neutros)
3. Quark arriba, quark encanto, quark cima (carga + 2/3)
4. Quark abajo, quark extraño, quark fondo (carga - 1/3

BOSONES

1. Gravitón (gravedad; curvatura del espacio-tiempo)
2. Fotón (electromagnetismo)
3. Ocho gluones (fuerza nuclear fuerte)
4. Bosones W y Z (fuerza nuclear débil)
5. Bosón de Higgs

En la teoría cuántica de campos cada partícula tiene una masa y un espín. Las partículas elementales son vibraciones de campos cuánticos, no tienen en realidad ningún tamaño; su espín es una propiedad intrínseca, no la revolución de sus cuerpos. Cada partícula asociada con un campo tiene exactamente el mismo espín.

Las cargas son las que determinan cómo interactúan las partículas entre sí. La carga de una partícula nos indica cómo interactúa con el campo que la porta de la fuerza asociada. La carga gravitacional es sólo la energía de la partícula, que es el producto de la masa por la velocidad de la luz al cuadrado, cuando la partícula está en reposo.

Todas las partículas tienen carga gravitacional. Todos los fermiones tienen una carga nuclear débil. La mitad de los fermiones que conocemos interactúan con los gluones portadores de la fuerza fuerte (los quarks); la otra mitad no y los llamamos leptones. Hay quarks arriba y quarks abajo. La fuerza fuerte es tan fuerte que quarks y gluones se ven confinados dentro de partículas como protones y neutrones, por lo que nunca podemos observarlos directamente. Los leptones cargados son el electrón, el muón y el tauón, y hay tres neutrinos asociados con ellos.

Luego está el Campo de Higgs y su partícula asociada, el bosón de Higgs (descubierto en 2012) …

Y usted se preguntará por qué le estoy contando todo esto; con razón. Bien, intentaré explicar un poco, ciñéndome a la duda de la pregunta, el motivo y poder así llegar a una conclusión.

La esencia de la teoría del núcleo expresada en una ecuación.

Esta ecuación es la amplitud cuántica para experimentar una transición de una configuración de campo específica a otra, expresada como una suma sobre todos los caminos posibles que pueden conectarlas.

A esto se le llama la formulación de integral de caminos de la mecánica cuántica, propuesta por Richard Feynman.

Para la teoría del núcleo, una configuración es un valor específico para cada campo, en cada punto del espacio. Esta versión de Feynman de la evolución cuántica nos indica la probabilidad de que el sistema termine en una configuración determinada dentro de la función de onda, puesto que empezó en algún momento precedente en una configuración diferente dentro de una función de onda anterior.

Y eso es lo que llamamos W, la amplitud para ir de una configuración de campo a otra. La determina una integral de caminos de Feynman sobre todas las formas en que podrían evolucionar los campos intermedios. Es una suma de infinitos, contribuciones de cada posible cosa que puedan hacer los campos entre el punto de partida y el de llegada, es decir, un camino que la configuración de campo pueda seguir. El valor que calculamos es S y lo llamamos acción. Si el sistema salta de cualquier manera por todas partes, su acción será muy grande; si no lo hace así, su acción será pequeña.

En mecánica cuántica a cada camino le asociamos un factor de fase, exp{iS}. Esto nos está señalando que tomemos una constante (la de Euler, e = 2.7181) y la elevemos a la potencia de i, el número imaginario determinado por la raíz cuadrada de -1 por la acción S del camino.

El factor de fase exp{iS} es un complejo, con una parte real y otra imaginaria, lo que se traduce en la práctica que serán, las partes, unas veces positivas, y otras negativas. Esto nos arroja un montón de cifras negativas y positivas y el total se anulará, o nos dejará una respuesta pequeña. Así, la mayor probabilidad cuántica queda asociada a una evolución de apariencia clásica. Por esa razón es por lo que nuestro mundo está bien modelizado por la mecánica clásica; es el comportamiento clásico el que aporta las mayores contribuciones a la probabilidad de las transiciones cuánticas.

Si desmontamos la ecuación, vemos que la amplitud está escrita en lo que hemos señalado como Mecánica cuántica. Los campos que incluimos están indicados con la notación [Dg], [DA], [D psi], [D phi]. La letra D significa "las cantidades infinitesimales que vamos a sumar en la integral", y los otros signos representan a los propios campos. Así, el campo gravitacional es g; los otros campos de fuerza bosónicos (electromagnetismo, fuerzas nucleares fuerte y débil, están agrupados en A; todos los fermiones están etiquetados colectivamente bajo psi; el bosón de Higgs es phi. La notación exp significa <<e la potencia de …>>; i es la raíz cuadrada de -1; y todo lo que sigue a i es la "acción" S para la teoría del núcleo.

En conclusión lo que nos dice la mecánica cuántica es: <e a la potencia de i veces la acción>>.

Y aquí está lo divertido. Muchos físicos de partículas se pasan la vida escribiendo acciones posibles para diversas colecciones de campos; pero todos empiezan por esta, para la teoría del núcleo.

La acción es una integral sobre la totalidad del espacio, y sobre el período de tiempo entre la configuración inicial y la final. Eso es lo que hace la notación

donde x representa las coordenadas en todas las dimensiones espacio-temporales, y el 4 nos advierte que el espacio-tiempo es tatradimensional, con un factor oculto a medias que es la raíz cuadrada de -g, que, evidentemente tiene que ver con la gravedad. Y nos recuerda que el volumen del espacio-tiempo sobre el que estamos integrando se ve afectado por cómo está curvado.

Todos los términos entre corchetes son las contribuciones a la acción de nuestros campos: gravedad, otras fuerzas, materia y Higgs.

En otros puntos de la ecuación nos encontramos con índices y sub-índices que etiquetan cantidades parciales, como de qué campo estamos hablando (fotones, gluones, bosones W o Z) peor también de qué parte del campo, como la parte del campo eléctrico alineada con el eje de abscisas … F indica <>.

Y así podríamos seguir desgranando esta ecuación. No lo voy a hacer.

Pues con esta ecuación tenemos la teoría del núcleo íntegra. Pero somos conscientes (bueno, los físicos) de que esta ecuación no puede ser la historia definitiva. En el universo hay materia oscura que no encaja con comodidad en ninguno de los campos conocidos. Los neutrinos tiene masa, por lo que sí pueden tener cabida en esta ecuación, aunque no se puede probar (o no se ha probado) que estos términos sean de hecho los responsables de la masa de los neutrinos. Es más, todos los físicos creen que todavía quedan muchas partículas y campos por descubrir, con mayores masas y energía. Eso sí, tienen que ser de tal naturaleza que interactúen muy débilmente con nosotros (materia oscura) o que decaen muy deprisa. Con todo, nos hemos acercado mucho al corazón de la naturaleza. Esto es real.

Esta teoría del núcleo aquí mal explicada por mí, sé que no proporciona una teoría completa de todos los campos que sabemos existen. Ese es el problema, por ejemplo, con la gravedad cuántica. La ecuación que he escrito está bien para cuando el campo gravitatorio es muy débil, pero no funciona cuando la gravedad es muy fuerte. Y es fuerte en el interior de un agujero negro o lo fue en las cercanías del Big Bang. Pero no pasa nada.

La teoría del núcleo es efectiva. Tiene un régimen de aplicación bastante específico y definido -partículas que interactúan con energías muy por debajo del corte ultravioleta-. Puede describir la atracción gravitacional del Sol sobre la Tierra, pero no lo que estaba ocurriendo en el momento del Big Bang.

Esto aquí escrito, reconozco, no es materia comprensible para el común; es materia destinada o relegada a cursos de física para licenciados. No espero que, razonablemente, esta exposición un poco larga resulte comprensible a nadie que no esté bastante familiarizado con estos conceptos. Pero es útil ver que la teoría del núcleo subyace a nuestras vidas cotidianas y efímeras y es extremadamente precisa, bien definida y robusta.

Conforme la ciencia vaya aprendiendo más acerca del universo, quizá encontremos otra teoría más exhaustiva que no aluda a la teoría cuántica para nada. Lo que tenemos que retener, para una pregunta que se formuló en Quora (y pido disculpas por la extensión), es que los físicos han sido capaces de armar una teoría que explica muchas cosas, cosas que Einstein, Planck ni siquiera Böhr, fueron capaces de montar (tampoco lo necesitaban). Aunque también es verdad que sin los aportes de ellos, jamás la ciencia hubiera sido capaz de hacerlo.

En conclusión, armar una teoría como esta es uno de los mayores logros de la historia intelectual de la humanidad.

Gracias a todas estas cosas y avances, los físicos no han parado y continúan haciendo una labor impagable. Sé que este escenario de la física tiene muchos detractores (en todas partes); pero en un mundo tan banalizado, donde los que tienen la obligación de hacerlo prefieren destinar recursos al armamento o a otras cuestiones bastante significativas pero totalmente prescindibles, ¿qué se puede esperar?

Como muestra de lo que digo y afirmo, aquí unos ejemplos de los avances logrados en los dos últimos años (y hay más). Nada de esto se hubiera alcanzado sin la aportación de decenas de miles de científicos repartidos por todos los centros universitarios y técnicos del Mundo.

La fusión de estrellas de neutrones

Por primera vez, los científicos lograban observar con telescopios y escuchar con ondas gravitacionales el mismo fenómeno cósmico, la fusión de dos estrellas de neutrones que formó una brutal kilonova en una galaxia a 130 millones de años luz.

Todo empezó el 17 de agosto de 2017, cuando los observatorios LIGO y Virgo detectaron una posible señal de ondas gravitacionales. Dos segundos después, el telescopio espacial Fermi de la NASA captó un estallido de rayos gamma, una potente emisión de energía que se sospecha se origina en la fusión de estrellas de neutrones. Astrónomos de todo el mundo se pusieron en alerta y el fenómeno se convirtió en el evento astrofísico más estudiado de la historia: 70 observatorios y 3.674 científicos de todo el mundo estuvieron pendientes del mismo.

Esta observación inauguraba una nueva disciplina: la llamada Astrofísica de múltiples mensajeros, que se encarga de observar el Universo a través de telescopios y «escuchar» a través de ondas gravitacionales. Además, la observación aportó una serie de descubrimientos científicos, como el origen del oro y el de los estallidos de rayos gamma, además de volver a confirmar las predicciones de la Relatividad de Einstein, entre otras aportaciones.

El lejano origen de los rayos cósmicos

Un consorcio internacional compuesto por más de 400 investigadores de 18 países y 100 instituciones diferentes ha confirmado que los rayos cósmicos, que golpean continuamente la Tierra con una energía cien veces mayor que la de nuestros más poderosos aceleradores, se originan fuera de nuestra Vía Láctea. En un artículo publicado en septiembre de 2017, en la revista «Science», los científicos ayudaban a resolver un enigma que duraba ya cincuenta año. En el estudio, describían cómo lograron detectar una anisotropía, una asimetría en la distribución de las direcciones de llegada de los rayos cósmicos en el momento en el que impactan con la atmósfera terrestre.

Utilizando el Observatorio Pierre Auger, en Argentina, pudieron determinar que la dirección predominante en el momento de la llegada de los rayos apunta a una amplia zona del cielo, pero se desvía en unos 90 grados de la dirección que deberían tener si procedieran de nuestra propia galaxia. La investigación, sin embargo, sigue sin aclararse cuál es exactamente la procedencia exacta de los rayos cósmicos. Eso todavía está por verificar.

Crean cristales de tiempo

Los cristales normales, como el diamante, están formados por una red de átomos que se repite en el espacio. Pero varios estudios recientes sugerían que sería posible obtener materiales que se repitan también en el tiempo. Y eso es lo que han conseguido dos equipos de físicos, uno de la Universidad de Harvard y otro del Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland. Por primera vez y de forma independiente, crearon cristales de tiempo en sus laboratorios y confirmaron experimentalmente la existencia de estas extraordinarias estructuras que, según el Nobel de Física Frank Wilczek, que las propuso en 2012, tendrían la capacidad del movimiento perpetuo, violando una de las simetrías fundamentales de las leyes de la Física.

El vacío de la pirámide de Keops

Una colaboración internacional llamada Scan Pyramids anunciaba en noviembre de 2017 el hallazgo de una cámara oculta y hasta ahora desconocida en la gran pirámide de Guiza, que sirvió de tumba al faraón Keops, gracias a una tecnología increíble. El hallazgo, publicado por la revista «Nature», se realizó a partir de imágenes de la pirámide basadas en muones, partículas que son un subproducto de los rayos cósmicos y que son capaces de atravesar la roca con facilidad. Alrededor de 10.000 muones caen sobre cada metro cuadrado de la superficie de la Tierra por minuto. Los muones siguen trayectorias diferentes cuando se mueven por el aire o a través de la roca sólida, lo que permitió a los científicos distinguir fácilmente las cavidades dentro de la pirámide.

Un microscopio de superresolución

Investigadores del Instituto Max Planck de Química Biofísica, la Universidad de Uppsala y la Universidad de Buenos Aires desarrollaron un nuevo tipo de microscopio de superresolución que puede rastrear moléculas biológicas en células vivas en tiempo real. La nueva técnica, denominada Minflux, combina los avances de dos técnicas ganadoras del premio Nobel, una de las cuales fue desarrollada por Stefan W. Hell, «padre» también de este nuevo microscopio. Se trata del nanoscopio, el microscopio fluorescente de alta resolución que permite ver los objetos a una escala nanométrica, como las moléculas dentro de células vivas. Esto resulta fundamental para estudiar enfermedades como el alzheimer o el parkinson. Pero Minflux alcanza la resolución a escala nanométrica más rápidamente y con menos fotones emitidos que antes, según explican en Physics World.

Y más…

Las revolución de las ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son pequeñas deformaciones en el tejido del espacio-tiempo que recorren todo el Cosmos a la velocidad de la luz. Las mediciones también anuncian el comienzo de una nueva era para la astronomía, que abre una nueva ventana para observar el Universo.

El gato vivo, muerto y en dos cajas

Investigadores de la Universidad de Yale complicaron aún más la historia en la revista «Science». Según explicaban, el animal no solo estará vivo y muerto a la vez, sino también en dos cajas distintas al mismo tiempo.

A por el reloj más preciso del mundo

Científicos alemanes dieron a conocer en la revista «Nature» el desarrollo de un método para la detección directa de la transición nuclear del torio-229, lo que abre la puerta al desarrollo de un reloj nuclear, mucho más estable y, por lo tanto, más preciso, que el atómico.

Un gravímetro sensible, pequeño y barato

Un equipo de la Universidad de Glasgow (Reino Unido) anunciaba en 2016 la construcción de un gravímetro altamente sensible, barato y compacto. Este pequeño dispositivo realiza mediciones muy precisas de la gravedad de la Tierra y podría ser desplegado en aviones no tripulados para ayudar en una variedad de tareas de exploración minera, ingeniería civil y seguimiento de la actividad de los volcanes. Aunque es cierto que no es tan sensible como los mejores sensores disponibles, podría ser producido por un coste muchísimo menor y también es significativamente más pequeño y ligero que los dispositivos actuales.

El nuevo instrumento se basa en una pieza de silicio de unos 10 mm de largo que se encuentra en la parte superior de dos puntales flexibles.

Avance en metamateriales

Un equipo internacional de investigadores, entre ellos algunos de la Universidad de Columbia en Nueva York o el Instituto Nacional Japonés de Ciencia de Materiales, ha conseguido medir la refracción negativa de los electrones en el grafeno. Se trata de una propiedad de algunos metamateriales artificiales que se puede utilizar para crear nuevos dispositivos ópticos, como una lente perfecta. Se podría utilizar también para constituir la base de un interruptor electrónico que consuma cantidades muy pequeñas de energía.

Próxima b, el planeta más cercano que puede ser habitable

Un equipo internacional de astrónomos, liderado por el español Guillem Anglada-Escudé, de la Universidad de Queen Mary en Londres, anunciaba en agosto de 2016 en la revista «Nature» el descubrimiento de Próxima b, un planeta potencialmente habitable en la órbita de la estrella Próxima Centauri, la más cercana al Sistema Solar, a poco más de cuatro años luz. Este mundo es probablemente rocoso, un poco más masivo que el nuestro y se encuentra en la región en torno a su estrella que le permitiría albergar agua líquida sobre su superficie. Podría convertirse en el primer objetivo para un futuro viaje interestalar.

Más información: Guillem Anglada-Escudé: «Cerca de la Tierra puede haber muchos mundos habitables»

Un paso más hacia el ordenador cuántico

Investigadores de la británica Universidad de Oxford y del laboratorio NIST en Boulder, Colorado (EE.UU), fueron capaces de medir el entrelazamiento cuántico entre pares de dos tipos diferentes de iones. El trabajo, que fue realizado en forma independiente por los dos grupos, es un paso importante hacia la creación de ordenadores cuánticos basados en iones.

Un microscopio «muy grande»

[Imagen del embrión de un ratón. En el rectángulo, ampliado a la izquierda, detalle del ojo - Gail McConnell/University of Strathclyde]

Investigadores de la Universidad de Strathclyde (Glasgow, Escocia) han creado una nueva lente de microscopio que ofrece la combinación única de un gran campo de visión con una alta resolución. Llamado mesolens, el dispositivo permite crear imágenes en 3D de muestras biológicas mucho más grandes de lo que antes era posible, al tiempo que proporciona detalles a nivel subcelular. La posibilidad de ver los especímenes enteros en una sola imagen podría ayudar en el estudio de muchos procesos biológicos y garantizar que detalles importantes no se pasen por alto. Con esta lente, los científicos pudieron observar con todo lujo de detalle doce embriones de ratón de un día de edad.

Primera simulación cuántica de física de partículas

Físicos de la Universidad de Innsbruck y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) en la Academia de Ciencias de Austria realizaron la primera simulación cuántica de la física de partículas. El trabajo fue descrito en la revista «Nature».

Las partículas elementales, los bloques de construcción de la materia y sus propiedades, se describen por el Modelo Estándar de la Física de Partículas. Pero muchos aspectos de esta teoría todavía no se entienden porque su complejidad hace que sea difícil investigarlos con los ordenadores clásicos.

Por eso, los científicos están esperanzados en este tipo de desarrollos, que serán potencialmente capaces de resolver cuestiones importantes sobre la física de alta energía que no pueden ser abordados por métodos convencionales.

El motor de un solo átomo

Investigadores de la alemana Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia han creado un motor basado en un solo átomo. Se trata de un motor térmico que convierte una diferencia de temperatura en un trabajo mecánico mediante el confinamiento de un solo átomo de calcio en una trampa en forma de embudo. El siguiente objetivo del equipo es enfriar más el átomo y confinarlo más firmemente, de manera que ya no se comporte como una partícula clásica, sino más bien como un paquete de ondas cuánticas. Esto podría abrir la puerta a estudios que relacionen la termodinámica y la mecánica cuántica, según explica Physics World.

Fuentes: Physics World. Harvard University Department of Physics . Department of Physics