20/Jul/08

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Una teoría de la nada para una teoría del todo

El espacio vacío no fue siempre tan desconcertante como ahora. Hasta los años 1920 los físicos veían al vacío como la mayoría de nosotros todavía hacemos: una nada sin características, un verdadero vacío.

Todo cambió con el nacimiento de la mecánica cuántica. De acuerdo a esa teoría, el espacio alrededor de una partícula está lleno de incontables partículas "virtuales", de muy pequeña duración.

Estas partículas son más que una abstracción teórica. Hace 60 años el físico alemán Hendrik Casimir sugirió un simple experimento para mostrar que las partículas virtuales pueden mover objetos en el mundo real. ¿Qué ocurriría, preguntó, a dos platos de metal colocados muy cerca uno de otro en un completo vacío? Antes de la mecánica cuántica, los físicos habrían dicho que los platos se quedarían allí sin cambios. Pero Casimir se dio cuenta que la presión de todas las partículas virtuales fuera de los platos deberían ejercer una minúscula fuerza que empujaría a los platos.

Los físicos trataron por décadas de medir la fuerza Casimir con gran precisión, pero no fue hasta 1997 que la tecnología permitió realizar una medición como la que realizó Steve Lamoreaux, ahora en Yale. Detectó la fuerza entre dos superficies separadas por sólo unas pocas milésimas de milímetro.

Este efecto Casimir dejó de ser una simple rareza teórica sin valor práctico. Ahora, se piensa que -a futuro- este efecto podría motorizar dispositivos de escala nanométrica y algunos laboratorios están trabajando en formas de usar esta fuerza para desafiar las limitaciones convencionales del diseño mecánico. Federico Capasso, un físico de Harvard, lidera un pequeño equipo que está tratando de crear una fuerza Casimir repulsiva al ajustar la forma de los platos. Su entero conjunto de experimentos caben en un escritorio y los objetos con los que trabaja son tan pequeños que la mayoría no son visibles sin un microscopio.

"Una vez que tienes fuerza repulsiva entre dos platos, deberías ser capaz de eliminar la fricción estática", dice Capasso. Eso podría llevar a útiles aplicaciones, como cojinetes sin fricción. "Pero los experimentos son enormemente dificultosos, por lo que no puedo decirle cuándo y cómo".

Sin embargo, a pesar de su rareza, esto no desconcierta a los físicos. De lo que no puede decirse lo mismo es de la energía oscura, un increíble descubrimiento de los astrónomos hace una década al observar supernovas. Estas explosiones de estrellas revelaron un universo en expansión acelerada, cuando lo que se hubiera esperado era lo contrario, que la gravedad desacelerara la expansión. Alguna desconocida forma de energía parece pertenecer a la fábrica del espacio que contrarresta el tirón gravitacional de materia.

Las observaciones han permitido a los físicos estimar la cantidad de energía oscura al deducir la fuerza necesaria para producir este efecto de aceleración. El resultado es una cantidad minúscula de energía por cada metro cúbico de vacío. Como la mayoría del cosmos consiste en espacio vacío, esta pequeña cantidad se acumula al punto de que esta clase de energía domina completamente la dinámica del universo.

Las preguntas difíciles surgieron rápidamente:¿Qué es esta energía y de dónde proviene? Los físicos simplemente no saben. De acuerdo a la mecánica cuántica, la energía del espacio vacío viene de las partículas virtuales que moran allí. Pero cuando los físicos usaron las ecuaciones de la teoría cuántica para calcular la cantidad de energía virtual, obtuvieron un número ridículamente alto. Tan grande -más de 120 órdenes de magnitud- que esa energía destrozaría el universo que doblaría su tamaño cada 10-43 segundos.

"Hemos hecho una predicción en base a nuestras mejores teorías y es incorrecta", dice Sean Carroll, un físico teórico del Caltech. "Eso significa que no podemos sólo ajustar un parámetro aquí y allá; debemos pensar profundamente qué son nuestras teorías".

Pero de lo que no hay dudas es que esta elusiva energía existe e inevitablemente alguien habrá pensando en cómo explotarla. La noción de energía ilimitada ha inspirado una legión de pseudo-físicos que sueñan con desarrollar finalmente un dispositivo de movimiento perpetuo, una máquina que resolvería los problemas de energía del mundo para siempre. Una simple búsqueda en la web permite encontrar algunas ideas que parecen bastante alocadas. ¿Están todas condenadas al fracaso?

"Quizás no tanto como tratar de probar que la Tierra es plana", dice John Baez. "Una cosa que puedo decir es que espero que no funcionen, porque si puedes extraer energía del vacío, significaría que el vacío no es estable." "Para los físicos normales -dice entre risas- la definición de vacío es que se trata de la situación de menor energía posible, tiene menos energía que cualquier otra cosa". Lo que Baez dice es que mientras seamos capaces de tomar energía del vacío, el éxito significaría que el universo es mucho más inestable de lo que alguna vez soñamos.

El razonamiento es así: si el vacío no está en el menor estado de energía posible, luego, en un punto en el futuro, el vacío podría caer a un estado menor, expulsando energía que amenazaría la estructura del cosmos. Si algún inteligente ingeniero pudiera alguna vez extraer energía del vacío, podría generar una reacción en cadena a la velocidad de la luz y destruir el universo.

Pero si no podemos tomar energía del vacío, quizás sí podamos tener diferentes beneficios del espacio vacío.

Está a punto de ponerse en marcha el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider o LHC) que hará chocar protones viajando a casi la velocidad de la luz. (Ver "¿Qué podemos esperar del LHC?") En los escombros de las colisiones, los físicos esperan encontrar evidencia de otro extraño componente del espacio, uno que explicaría porqué las partículas tienen masa. Los físicos creen que el universo contiene lo que denominan el Campo de Higgs, que cubriría todo el espacio. Su detección no sería una sorpresa: lo están buscando desde que en 1964 Peter Higgs, físico de la Universidad de Edinburgo, propuso su existencia.

Higgs quería explicar porqué la materia tiene masa y más específicamente porqué cada partícula tiene una masa diferente. Teorizó la existencia de un campo invisible llenando todo el espacio y argumentó que las partículas adquieren masa al interactuar con este campo. Lo que interpretamos como masa de partículas sería realmente la fuerza de su interacción con el campo de Higgs.

Si el campo de Higgs existe, el LHC debería encontrar una partícula llamada bosón de Higgs. Así como la luz, un campo electromagnético, es transmitida por partículas llamadas fotones, los físicos esperan que existan partículas transportadoras para el campo de Higgs y serían estos bosones.

El descubrimiento del bosón de Higgs podría responder uno de los aspectos más enigmáticos de nuestra realidad. "Si se encuentra, no sería muy excitante. Sería un alivio, más bien. Bueno, sería excitante, pero sólo en el mismo sentido de que tú pierdas tus llaves y luego las encuentres. Alguien ganaría el Premio Nobel por ello, pero luego de la excitación inicial, los físicos de partículas estarían cascarrabias, porque significaría que lo que pensamos que era cierto, era cierto, y todas las cosas que no entendemos, seguiríamos sin entenderlo, y sin nueva evidencia".

Algunos investigadores, sin embargo, esperan que el LHC encuentre evidencia de algo muy nuevo: las dimensiones extra del espacio. De acuerdo a la Teoría M, el intento más audaz de explicar los fundamentos de la física, el espacio a nuestro alrededor podría estar constituido de 11 dimensiones. La teoría M propone que los bloques que constituyen el universo no son partículas sino bucles de energía o cuerdas, como las llaman. Por complicadas razones matemáticas, las cuerdas necesitarían 11 dimensiones para vibrar. Y si experimentamos sólo 4 dimensiones (tres espaciales y una temporal) en nuestra vida diaria sería porque las demás son increíblemente pequeñas, evidentes sólo a escalas subatómicas.

Una forma de imaginarlo es como un equilibrista caminando sobre un cable. Para él, el cable sería escencialmente de una dimensión, una línea. Pero para una hormiga sobre el cable, lo experimentaría como tridimensional, ya que podría caminar alrededor del cable. Los teóricos de cuerdas dirían que somos como el equilibrista, excepto que nuestra "cuerda" es un espacio de 11 dimensiones, de la somos capaces de experimentar sólo 4.

La teoría M podría verse encaminada hacia algo más que una rareza teórica, si los experimentos en el LHC arrojaran faltantes o sobrantes de partículas, lo que podría significar que alguna partícula cayó a otra dimensión o que de otra dimensión llegó una nueva, respectivamente.

Algunos físicos gustan de pensar que la teoría M formará la base de lo que llaman la Teoría del todo, un conjunto de leyes que describirían completamente el universo en toda su extrañeza, donde la energía oscura, la mecánica cuántica, las dimensiones extras y los lectores de blogs cabrían en el mismo paquete.

Sería un tanto paradójico que las partículas virtuales de la mecánica cuántica, las que llenan el vacío espacial permitiera construir una explicación completa del cosmos:Una teoría de la nada para una teoría del todo.

Fuente: Noticias del cosmos. Aportado por Gustavo A. Courault