Desarrollan modelo que desplaza los límites de la teoría cuántica y de la relatividad

El principio de exclusión de Pauli se puede violar, por lo tanto no es una ley tan estrictamente fundamental

Toda la materia en el universo —todo lo que vemos, sentimos y olemos— tiene una cierta estructura predecible, gracias a los electrones que giran alrededor de sus diminutos núcleos atómicos en una serie de capas concéntricas o niveles atómicos. Un principio fundamental de esta estructura ordenada es que no hay posibilidad de que dos electrones ocupen el mismo nivel atómico (estado cuántico) al mismo tiempo, un principio llamado el principio de exclusión de Pauli, que se basa en la teoría de la relatividad y en la teoría cuántica.

Sin embargo, un equipo de físicos de la Universidad de Syracuse (EEUU) han desarrollado recientemente un nuevo modelo teórico para explicar cómo puede ser violado el principio de exclusión de Pauli y cómo, bajo ciertas raras condiciones, puede que más de un electrón ocupe el mismo estado cuántico al mismo tiempo.

Su modelo, publicado el 26 de julio en Physical Review Letters (vol. 105) puede ayudar a explicar cómo se comporta la materia en las fronteras de los agujeros negros y contribuir a la búsqueda científica de una teoría unificada de la gravedad cuántica. Physical Review Letters es una publicación de la prestigiosa Sociedad Americana de Física (American Physical Society).

«Las transiciones de electrones de una capa atómica a otra que violan el principio de Pauli han desafiado los fundamentos de la física», dice AP Balachandran, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Syracuse. «Por esta razón, hay un fuerte interés experimental en la búsqueda de estas transiciones. Hasta ahora, había pocos modelos viables que pudiesen explicar cómo pueden ocurrir estas transiciones. Nuestra teoría proporciona un modelo de este tipo.»

Balachandran es el autor principal en el artículo, junto a los futuros doctores Anosh Joseph y Pramod Padmanabhan.

La forma ordenada en que los electrones llenan los niveles atómicos proporciona estabilidad y estructura a la materia, así como dicta las propiedades químicas de los elementos en la tabla periódica. Detrás de esta estabilidad está la capacidad de definir la localización de objetos (electrones, protones y neutrones) casi exactamente en el espacio y el tiempo. El nuevo modelo postula que en el plano donde es significativa la gravedad cuántica, esta imagen del espacio-tiempo continuo se rompe, afectando profundamente la simetría de rotación de los átomos y disparando transiciones de electrones (movimiento de una capa a otra) que violan el principio de Pauli.

«El principio de Pauli no se cumple en el modelo que construimos», dice Balachandran. «Luego utilizamos las pruebas experimentales existentes para poner límites a cuando pueden ocurrir estas violaciones en las transiciones.»

Según el modelo, las violaciónes del principio de Pauli se producen, teóricamente, en la naturaleza en un lapso de tiempo que es más que la edad del universo; o con menos frecuencia que la proverbial «luna azul».

«Aunque este efecto es pequeño, los científicos emplean instrumentos de alta precisión para tratar de observar el efecto», dice Balachandran. «Si lo encuentran, afectará profundamente las bases de las actuales teorías físicas fundamentales.»

«Además, la química y la biología en un mundo donde se producen tales violaciónes será dramáticamente diferente», añade el coautor Padmanabhan.

El hecho de que el principio de Pauli se pueda violar también puede ayudar a explicar cómo se comporta la materia en los bordes de un agujero negro, dice Joseph: «Aunque no sabemos que le sucede a la materia en un agujero negro, nuestro modelo puede dar pistas sobre cómo se comporta la materia cuando los átomos colapsan ante la atracción gravitatoria del agujero negro.»

Fuente: Universidad de Syracuse. Aportado por Eduardo J. Carletti

Más información: