Sunday, September 25, 2016

HIJAS DE LA LUZ DEL NORTE



En esta novela dos historias avanzan paralelamente. La de la búsqueda de Nora de sus raíces Sami en el norte de la Noruega actual de 2011. Y por otro lado la lucha de Àilu en 1915 por no perder sus orígenes Sami.



Libro Hijas de la Luz del Norte
Portada del libro Hijas de la Luz del Norte



En 1915 la cultura Sami está mal vista en Noruega. Se prohíbe a los niños Sami hablar su idioma. Por ejemplo, en 1905 Noruega se independizó de Suecia y desde entonces no permitían comprar tierras a quien no hablara noruego, como los Samis.

Desde entonces los Samis luchan por sus derechos. Como por ejemplo a principios de los años 80 en que se produjeron protestas sami. Al principio parecia un conflicto entre ecologistas y constructores pero acabó en un conflicto político entre el gobierno noruego y los Samis.

Gracias a protestas como esta, hoy en día los samis tienen leyes que protegen su lengua y cultura. Actualmente se valora mucho la artesanía Sami, se hacen mercados Sami donde se venden estos objetos artesanales  y desde el 2011 existe el día nacional Sami.

Aún así, actualmente, también hay prejuicios respecto a los samis. Y viveversa, pues algunos Samis también tienen reservas ante los noruegos.

Una amiga de Nora opina que los samis debían adaptarse sin rechistar a la sociedad noruega porque eran ciudadanos de segunda que sembraban la discordia con su retraimento en su propia cultura y no tenían derecho a una igualdad real. Creia que habían protestado demasiado por el derecho a mantener su lengua y sus tradiciones, como si creyeran que son mejores que la de los noruegos solo por ser más antiguas.

En ese contexto de principios de siglo, el Gobierno de Noruega decretó que todos los niños sami debían ir a un internado. Además no podían hablar sami. Así, Àilu es internada en 1915 al llegar a Kautokeino tras una migración invierno-verano de su familia Sami buscando pastos para los renos.

Àilu descubre allí el rechazo de los noruegos a los Sami en el internado y luego en el orfanato en un remoto fiordo del norte de Noruega al que es trasladada. Este rechazo hará que quiera olvidar sus raíces sami, que solo le traen disgustos ante los noruegos.

Por otro ladi, buscando información sobre su padre, Nora viaja a Tromsø, la capital mundial de las auroras boreales, donde vive su tío. Esta ciudad está en una isla rodeada de montañas y tiene una red de calles subterránea debido al frío.  Esos días hay un mercado sami y hay carreras de renos. Desde Tromsø Nora se dirige a Alta y Kautokeino, dos poblaciones Sami del norte de Noruega para saber más sobre su padre.



Aurora Boreal
Aurora Boreal



Cultura Sami



Para los Samis la familia es lo más importante. Además los Samis se consideran parte de la naturaleza. Esto puede resumirse en las siguientes palabras de Heaika a su hija Àilu: "No dejes rastro, no perturbes la vida de los demás y no despilfarres los regalos de la naturaleza."

Para ellos, en cambio, los del sur (en referencia a los noruegos) se creen sus dueños y para ellos es importante poseer cosas y disponer de ellas a su antojo, por eso vallan las tierras.

Los Samis no cazan renos, los crian y los domestican. De los renos extraen leche, carne, pieles para ropa y mantas. Además los utilizan como animales de tiro para trineos.


 Trineo tirado por renos en Laponia
Trineo tirado por renos en Laponia





La cría de renos hace que sean nómadas buscando en cada estación los pastos más adecuados para los renos.



Reno en Laponia
Reno en Laponia



Realizan migraciones nocturnas invierno-verano bajo el encanto de las Auroras Boreales de unos 120km en trineo tirado por renos o perros en una semana. En este libro, la migración la realizaban desde Alta a Kautokeino.


Trineo tirado por perros
Trineo tirado por perros



A principios del s.XX podían vivir de criar renos pero en la Segunda Guerra Mundial los alemanes mataron muchos renos, impidiendo a muchos de los samis seguir viviendo de esta actividad.



Opinión Personal


De este libro lo que más me ha gustado es conocer más sobre la cultura Sami. Los Sami lucharon mucho por preservar su cultura, lengua y tradiciones. Este interés sobre este pueblo es debido al viaje que hice a Finlandia y Laponia en 2015. 

También me ha resultado agradable y evocador la región en la que se desarrolla la novela como son los fiordos del norte de Noruega, una tierra difícil e inhóspita pero de una naturaleza realmente bella. Una belleza aumentada por fenómenos extraordinarios como las Auroras Boreales.

Finalmente este libro me recuerda dos cosas: por muy duro que sea el presente, nunca hay que perder la esperanza en un futuro mejor. Y como dicen los Sami, lo más importante es la familia.

Sunday, September 18, 2016

EL CARÁCTER DE LA LEY FÍSICA DE RICHARD FEYNMAN


Este libro trata de una serie de conferencias de Richard Feynman que hablan sobre lo que tienen en común las varias leyes físicas de que disponemos en lugar de hablar de cual es la ley física porque no la conocemos.


El Caracter de la Ley Fisica de Richard Feynman
Portada del libro El Carácter de la Ley Física de Richard Feynman


Las conferencias que recoge este libro son:

1) La Ley de Gravitación, un ejemplo de Ley Física.
2) Relación de las Matemáticas con la Física.
3) Los Grandes Principios de Conservación.
4) Simetría y Ley Física.
5) La distinción entre pasado y futuro.
6) Probabilidad e Incertidumbre. La visión Mecano-Cuántica de la Naturaleza.
7) Buscando Nuevas Leyes.



A continuación hago un pequeño resumen de cada una de ellas.



1- La Ley de Gravitación, un ejemplo de Ley Física



La Ley de Gravitación Universal de Newton es simple y elegante porque con una ecuación sencilla permite un gran poder predictivo. Eso no quiere decir que los cálculos sean siempre sencillos. Por ejemplo no hay una solución analítica (solo mediante métodos aproximativos) cuando se intenta calcular las órbitas de tres cuerpos celestes que se atraen mutuamente.



Ley de Gravitacion Universal de Newton
La Ley de Gravitación Universal de Newton es un ejemplo de ley física


Sistema Solar
La Ley de Newton permite calcular con bastante precisión las órbitas de los planetas del sistema solar





Características Comunes de las Leyes Físicas


La gravedad junto con otras leyes de la física tienen en común que son matemáticas. Además son inexactas (no se puede estar seguro de que sean ciertas). Einstein modificó la Ley de Newton tras más de dos siglos de vigencia. A su vez la Teoría de la Relatividad no es lo suficientemente correcta porque hay que incorporar en ella la teoría cuántica.


Ecuacion de la Teoria General de la Relatividad
Ecuación de la Teoría General de la Relatividad, la teoría que modifica la Ley de Newton, expresada en lenguaje matemático



Las leyes físicas también son simples en su forma y principios, y por tanto bellas, aunque complejas en sus acciones. Finalmente son universales.




2- Relación de las Matemáticas con la Física



Las leyes de la naturaleza son expresadas mediante el lenguaje matemático. Las matemáticas son útiles para analizar fenómenos complejos y extraer las reglas fundamentales. Las matemáticas son un lenguaje más razonamiento, o lenguaje más lógica, un instrumento para razonar. Permiten establecer conexiones entre afirmaciones. Las matemáticas son una manera profunda de expresar la naturaleza.


Ecuaciones de la Fisica
Ecuaciones famosas de la física como ejemplo de expresar las leyes de la naturaleza en lenguaje matemático



3- Los Grandes Principios de Conservación



Son principios generales que todas las leyes físicas parecen cumplir, junto con ciertas propiedades de simetría, la forma general de los principios de la Mecánica Cuántica y el hecho de que sean matemáticas.

Algunos de ellos son:


  • Conservación de la masa-energía.
  • Conservación de la carga.
  • Conservación del momento líneal.
  • Conservación del momento angular.
  • Conservación de los bariones y leptones.
  • Conservación de la extrañeza (casi).


Los principios de conservación permiten descubrir otras leyes o explicar fenómenos que no conocemos.




4- Simetría y Ley Física



Existen un conjunto de simetrías que parecen cumplir todas las leyes de la naturaleza. Algunas de las simetrías más importantes de la naturaleza son:


  • Simetría de traslación en el espacio.
  • Simetría de traslación en el tiempo.
  • Simetría de rotación en el espacio.
  • Principio de Relatividad.


Por ejemplo, un átomo puede sustituirse por otro de la misma clase sin que se note diferencia en fenómeno alguno.

Aún así hay algunas excepciones:


  • Cambio de escala.
  • Movimiento giratorio.
  • Simetría especular.


Existe una profunda conexión entre las leyes de simetría y los principios de conservación que reside en el principio de mínima acción que emana de la Mecánica Cuántica:


  • Principio de mínima acción + simetría de traslación en el espacio = Conservación  del momento lineal.
  • Principio de mínima acción + simetría de traslación en el tiempo = Conservación de la energía.
  • Principio de mínima acción + simetría de rotación en el espacio = Conservación del momento angular.


La simetría especular (o paridad) no se cumple únicamente para desintegraciones beta, gobernadas por la interacción débil.



5- La distinción entre pasado y futuro



Las leyes de la física son reversibles en el tiempo. Los procesos parecen irreversibles porque el camino contrario es muy improbable debido a  la aleatoriedad de los movimientos moleculares. Un sistema ordenado (solo una o muy pocas combinaciones de sus partículas) es mucho más improbable que uno desordenado (prácticamente cualquier combinación de sus partículas).

Si partimos de la hipótesis de que en el pasado el Universo estaba más ordenado, entonces todo tiende a desordenarse con el paso del tiempo. Esta tendencia al desorden en una única dirección del tiempo es lo que orienta la flecha del tiempo hacia el futuro. Lo que hace distinguible el pasado del futuro.

Podemos considerar la temperatura como la facilidad para extraer energía de un sistema. Si todo posee igual temperatura, deja de existir energía disponible. Según el principio de irreversibilidad, si existe una diferencia de temperatura y esperamos, la temperatura se hace más uniforme y la energía disponible decrece. Esto último es equivalente a afirmar que la entropía siempre aumenta.




6- Probabilidad e Incertidumbre. La visión Mecano-Cuántica de la Naturaleza



Las leyes de la naturaleza parecen cada vez más irracionales y alejadas de la intuición. Pero una Ley Científica no tiene por qué ser intuitiva. Debe ser un modelo de la realidad que haga predicciones comprobables y correctas aunque proporcione una imagen de la naturaleza poco intuitiva o extraña.

Por ejemplo el concepto de simultaneidad desaparece con la Teoría de la Relatividad. Otro ejemplo es la luz. Primero parecía de naturaleza corpuscular, luego ondulatoria y, finalmente, ambas. A nivel microscópico, bajo las leyes de la Mecánica Cuántica, nada se comporta como en el mundo macroscópico. Según Feynman, nadie entiende realmente la Mecánica Cuántica.


Principio de Incertidumbre de Heisenberg
El Principio de Incertidumbre de Heisenberg está en el corazón de la Mecánica Cuántica


Las paradojas, misterios y peculiaridades de la Mecánica Cuántica se concentran en el experimento de la doble rendija. Este experimento conduce al concepto de función de onda y al cálculo de probabilidades.



Experimento de la Doble Rendija
Patrón de interferencia en el experimento de la doble rendija





7) Buscando Nuevas Leyes



Los experimentos pueden producir resultados inesperados, y con ellos empieza un búsqueda de una nueva ley que los explique.

Los experimentos también pueden derribar teorías, pero no pueden demostrar que son correctas, solo que son provisionalmente correctas. Nunca podemos estar completamente seguros de que una ley física es correcta, solo de que es falsa.

La Ley de Gravitación de Newton fue confirmada por los experimentos hasta que pudo medirse la desviación del perihelio de Mercurio, que esta ley no predecía.

Pero para poder poner a prueba una teoría, esta debe proporcionar predicciones precisas comprobables mediante experimentos. Si no, no es falsable, y por tanto, no es una teoría científica, no es ciencia. Esto es lo que pasa actualmente con la Teoría de Cuerdas.

Como en bajas energías las leyes actuales funcionan bastante bien, los experimentadores se centran en altas energías para poner a prueba las teorías actuales. Si se descubre algo erróneo es la manera de avanzar buscando nuevas leyes que lo expliquen.


Detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones
Montaje del calorímetro del detector ATLAS del LHC, un experimento de altas energías fundamental para descubrir nuevas leyes de la naturaleza


En el proceso de proponer una teoría, calcular sus predicciones y comprobarlas con experimentos podemos estancarnos en cualquiera de estas fases. Por ejemplo, en 1934 Yukawa propuso una teoría que nadie sabía como calcular sus consecuencias porque las matemáticas eran demasiado difíciles. 

En el caso de las teorías de gravedad cuántica pasa algo similar pero con la experimentación. Los experimentos realizables nunca involucran la mecánica cuántica y la gravedad al mismo tiempo.

Las pocas predicciones que proporciona la Teoría de Cuerdas en gravedad cuántica no sabemos como comprobarlas porque no disponemos de la tecnología necesaria para diseñar los experimentos que lo  permitan.

Al empezar a elaborar una nueva teoría intentamos incluir todos los principios bien conocidos que sabemos que funcionan. Sin embargo, todos juntos son inconsistentes y llevan a conclusiones erróneas. ¿A qué renunciamos? ¿Qué incluimos en su lugar?

Hay que tener una gran capacidad para saber que hay que descartar. Hay que ser muy inteligente y creativo para proponer hipótesis que funcionen. Como Newton, Maxwell, Einstein, Heisenberg o Schrödinger.


Ecuacion de Schrodinger
Ecuación de Schrodinger


En general intentamos descubrir nuevas leyes siguiendo el siguiente proceso:

Primero la proponemos. Luego calculamos sus consecuencias para ver que implicaría si esta ley fuera correcta. Entonces comparamos los cálculos realizados con la naturaleza mediante experimentos. Si no está de acuerdo con el experimento entonces es errónea. Ahí está la clave de la ciencia. No importa como de bella sea tu propuesta o lo inteligente que seas o cómo te llames. Si no explica los experimentos es errónea.

A veces para descubrir una nueva ley física hay que proceder de forma totalmente nueva, con lo que la historia no nos ayuda. 

Es difícil descubrir una ley que prediga correctamente todo lo conocido y dé predicciones diferentes precisamente en aquellos experimentos en que las teorías conocidas fallen.

La intuición nos dice, opina Feynman, que cuando una nueva ley predice correctamente hechos conocidos pero de manera más simple que las teorías existentes y, además, proporciona nuevas predicciones donde las teorías vigentes fallan, entonces probablemente sea correcta. Esto es así porque la naturaleza es simple y, por tanto, tiene una gran belleza.

Las ideas entorno a una teoría pueden cambiar mucho incluso aunque haya diferencias minúsculas en las predicciones de la nueva teoría respecto a la antigua. La Ley de Newton funcionaba muy bien pero no explicaba correctamente la órbita de Mercurio. Para explicarla hizo falta una teoría completamente nueva.  El motivo es que la ley de Newton era simple, tan perfecta y proporcionaba predicciones tan correctas que una nueva teoría que la sustituyera debería ser completamente diferente. Al proponer una nueva ley no puedes crear imperfecciones en algo perfecto. Tienes que crear otra cosa perfecta. Por tanto las diferencias filosóficas entre las teorías de Newton y Einstein son enormes aunque las predicciones en la mayoría de los casos son bastante similares.




Opinión Personal



Las conferencias de Richard Feynman son extremadamente didácticas. Toma todo el tiempo necesario para explicar los conceptos fundamentales con múltiples ejemplos. Realiza explicaciones paso a paso, con todos los detalles. 

Acertadamente no intenta abarcar mucho. Explica lo más importante, los conceptos más fundamentales, pero los explica a fondo, con el máximo detalle y de una manera comprensible e incluso con algunos toques de humor. Por ello son muy apropiadas para todo aquel interesado en la ciencia pero que no ha tenido la formación académica necesaria para poder profundizar en ella.

En esta serie de conferencias recoge las características que debería tener una ley física utilizando como ejemplo algunas leyes actuales conocidas como la Ley de Gravitación. 

El genio de Feynman puede resumirse con la imagen de uno de los diagramas que llevan su nombre y que tan útiles son en la física de partículas de altas energías.



Diagrama de Feynman
Diagrama de Feynman


Monday, September 12, 2016

LA ECUACIÓN MAESTRA DE LA FÍSICA



La física que conocemos puede sintetizarse de manera asombrosa en una ecuación "maestra". Se trata de una densidad Lagrangiana o "Lagrangiana". A partir de esta Lagrangiana y aplicando el cálculo de variaciones mediante las ecuaciones de Euler-Lagrange pueden obtenerse las ecuaciones del movimiento para cada situación física concreta.



Lagrangiana del Modelo Estándar



Ecuacion del Modelo Estandar de Particulas
Lagrangiana completa del Modelo Estándar de Partículas donde h.c. quiere decir hermítico conjugado.


Esta ecuación "maestra" constituye el núcleo del Modelo Estándar y especifica las reglas según las cuales interactúan entre sí dos partículas cualesquiera en cualquier lugar del Universo, salvo las de la gravedad.

La ecuación maestra muestra una gran elegancia y sencillez y una gran belleza subyacente. Además especifica las propiedades de las tres fuerzas con todo detalle, con precisión matemática y sin ambigüedad ni redundancia. Estaría compuesta por 4 partes: 


LTotal=LMateria+LGauge+LYukawa+LHiggs


La primera línea es la lagrangiana de Dirac a partir de la que se obtiene la Ecuación de Dirac, que es el punto de partida de las Teorías Cuánticas de Campos en general y de la Electrodinámica Cuántica en particular.


Ecuacion de Dirac
Ecuación de Dirac inscrita en el sepulcro del gran físico Paul Dirac



La segunda línea nos dice como interactúa el fotón (y el bosón gauge débil Z°) con la materia (primer término donde la letra griega psi indica una partícula de materia) y consigo mismo (segundo término).



Ecuacion del Modelo Estandar de Particulas
Las dos primeras líneas de la Ecuación Maestra son muy parecidas a la lagrangiana de la Electrodinámica Cuántica. La diferencia está en el tensor B que aquí incorpora el bosón gauge débil Zº.


Estas dos primeras líneas son muy parecidas a la lagrangiana de la Electrodinámica Cuántica, teoría que explica cómo interaccionan la luz y la materia y que modifican ligeramente las Ecuaciones de Maxwell para dar cuenta de efectos sutiles.



Lagrangiana de la Electrodinamica Cuantica
Lagrangiana de la Electrodinámica Cuántica, la teoría que describe como interacciona la luz con la materia. M es la masa del electrón, A es el potencial vector del electromagnetismo y F es el tensor electromagnético




Diagrama de Feynman
Los diagramas de Feynman son la herramienta principal de la Electrodinámica Cuántica. Su uso facilita enormemente los cálculos. En este caso un positrón y un electrón se aniquilan mutuamente en un fotón que luego se divide nuevamente en un positrón y un electrón.



Salvo la gravedad, en estas dos primeras líneas están todas las leyes fundamentales de la física que conocemos, como las Ecuaciones de Maxwell o la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein.

La tercera línea nos dice como interactúan los bosones gauge débiles (W+, W- y el fotón) con la materia (primer término) y consigo mismos (segundo término). Estas tres primeras líneas constituyen la lagrangiana de la Teoría Electrodébil, que unifica el electromagnetismo con la fuerza nuclear débil.



Lagrangiana del Modelo Estandar
Línea de la Ecuación Maestra que indica la interacción de los bosones gauge débiles con la materia y consigo mismos



La cuarta línea nos dice como interactúan los gluones con los quarks (primer término) y consigo mismos (segundo término). Esta cuarta línea constituye la lagrangiana de la Cromodinámica Cuántica, que es la Teoría Cuántica de Campos que describe la fuerza nuclear fuerte.



Lagrangiana del Modelo Estandar
Línea de la Ecuación Maestra que indica la interacción de los gluones con los quarks y consigo mismos



Los primeros términos de las segunda, tercera y cuarta líneas contienen además la energía cinética de las partículas de materia. Además estas 3 líneas serían la parte LGauge.

El primer término de la quinta línea indica la generación de masa de las partículas elementales (LYukawa) y la última línea indica la generación de masa de los bosones gauge débiles W+, W- y Z° (LHiggs). En esta última línea la letra griega phi indica el campo de Higgs.



Ecuacion del Modelo Estandar
Parte de la ecuación maestra que describe la generación de masa de las partículas elementales y de los bosones gauge débiles



La Simetría como Origen de la Ecuación Maestra




Para llegar a la ecuación maestra los artífices del Modelo Estándar impusieron condiciones de simetría. Intuyeron que la naturaleza es simétrica.

Si manipulamos una ecuación mediante una transformación concreta y esta no varía, entonces dicha transformación se corresponde con una simetría.

Existen simetrías del espacio-tiempo como el principio de relatividad, la traslación en el tiempo, la traslación en el espacio o la rotación espacial. Estas simetrías anteriores son también globales. Pero también existen simetrías internas (locales) que cumplen los campos. 

Una de ellas es la simetría gauge, consistente en variar la fase del campo en cada punto de manera independiente. Para que la ecuación resultante no varíe se añade un campo que se transforme de la manera apropiada para que la ecuación se mantenga invariable. Ese campo añadido es el correspondiente a la partícula portadora de la interacción. Por ejemplo, en el caso del fotón sería el campo electromagnético, que aparece al imponer la simetría gauge a la ecuación de Dirac.

Por ejemplo, partimos de la ecuación de Dirac para una partícula libre (sin interacciones). Es decir, la primera línea de la ecuación maestra. Si ahora imponemos la simetría gauge, nos aparecen gratis la segunda, la tercera y la cuarta líneas. La simetría gauge hace aparecer las tres interacciones y sus partículas mediadoras.


Ecuacion de Dirac
Ecuación de Dirac que se obtiene de la lagrangiana de Dirac (la primera línea de la Ecuación Maestra). Las constantes de Planck y de la velocidad de la luz se han igualado a la unidad



Pero no solo eso. La simetría gauge hace que no tengamos más que la opción de la ecuación maestra. Nos conduce inexorablemente hacia ella.

Pero la simetría gauge exige que ninguna de las partículas del Modelo Estándar tenga masa, lo cual es erróneo, pues implicaría que todas las partículas se moverían a la velocidad de la luz. Tampoco podemos renunciar a las simetrías que tan elegantemente y correctamente hacen aparecer las tres interacciones. Es más, sin ella la teoría carece de sentido.

La solución está en las dos últimas líneas de la ecuación maestra que describen el Mecanismo de Higgs. Las masas se generan como consecuencia de la interacción de las partículas con el Campo de Higgs.


Saturday, September 10, 2016

EL DESCUBRIMIENTO DEL BOSÓN DE HIGGS



Tras el descubrimiento del bosón de Higgs en el año 2012, la física estadounidense Lisa Randall escribió un pequeño libro de unas 70 páginas en las que explicaba las claves de este descubrimiento, el por qué de la importancia de esta partícula y algunas de sus características principales.




El Descubrimiento del Higgs de Lisa Randall
Portada del libro "El descubrimiento del Higgs. Una partícula muy especial", escrito por Lisa Randall




Características Principales del Bosón de Higgs



El campo de Higgs (cuyo módulo al cuadrado en un punto nos da la probabilidad de encontrar al bosón de Higgs en ese punto) impregna el vacío y tiene un valor no nulo. Esto es especial porque implica que el bosón de Higgs debe ser un nuevo tipo de partícula: una partícula escalar. Y lo es porque:

  • Tiene spin=0 lo que significa que, como el bosón de Higgs impregna todo el espacio, este no tiene direcciones privilegiadas. El spin es una propiedad de las partículas que nos dice como esperamos que esta se comporte ante rotaciones. Al tener spin 0, el bosón de Higgs no cambia bajo transformaciones de simetría espacio-temporales tales como rotaciones. Si la partícula creada por el campo tuviera spin no nulo, la simetría de rotación y la simetría de Lorentz (simetría de rotación que incluye el tiempo) tambíen se rompería.
  • Tiene carga=0 debido a que el campo electromagnético es invariante ante rotaciones, lo que hace que solo exista un campo eléctrico si hay una carga. El campo eléctrico solo aparece si hay materia cargada, sino se rompe la simetría rotacional. El  bosón de Higgs puede aparecer en el vacío porque no se rompe ninguna simetría cuando lo hace. Si el campo llevara carga, podría desaparecer carga en el vacío y esta no se conservaría. Si el campo cambia bajo rotaciones, el vacío no conservaría la simetría de rotación.



Así pues la partícula creada debe ser especial, y lo es. Hasta este descubrimiento no existía una partícula escalar elemental (solo los mesones, que no son elementales al estar constituidos por un quark y un antiquark).




Importancia del Bosón de Higgs



El descubrimiento de Higgs salva la validez del Modelo Estándar, la teoría que describe el mundo subatómico y vigente desde principios de la década de los 70. Aunque esta teoría realiza gran cantidad de predicciones acertadas, no es capaz de explicar el origen de la masa de las partículas si no es mediante el bosón de Higgs. Si este bosón no se descubriera, el Modelo Estándar carecería de coherencia interna y habría que corregirlo o buscar una nueva teoría que lo sustituyera.


Descubrimiento en el LHC





La tarea de buscar una partícula de masa desconocida y que no deja rastros directos es muy complicada. Se empieza fijando un valor posible para la masa del bosón de Higgs y calculando teóricamente sus distintos canales de desintegración, esto es, las combinaciones de partículas en las que puede decaer el bosón de Higgs.

En el caso del bosón de Higgs, este puede desintegrarse como:


  • Un quark y un antiquark bottom. Estas partículas son demasiado comunes en el LHC, lo que hace muy difícil identificar aquellos pocos que tuvieron como origen el bosón de Higgs.
  • Bosones gauge débiles W+, W- y Z°. Estos son demasiado pesados para surgir como partículas normales. Aparecen como partículas virtuales con suma de masa incorrecta (que violan el principio de conservación de la energía) durante un tiempo permitido por el Principio de Incertidumbre. Por ello se desintegran rápidamente en otras partículas y no pueden ser detectados directamente.
  • En 2 fotones que no interaccionan directamente con el bosón de Higgs, con lo que son productos de desintegración de partículas intermedias (partículas virtuales con masas incorrectas).


A continuación hay que analizar los datos obtenidos de las colisiones en los aceleradores en busca de esas partículas, posibles "residuos" del bosón de Higgs. Si los resultados concuerdan con los valores teóricos en ausencia del bosón de Higgs, entonces se excluye su presencia para esa energía. Sin embargo, si se observa un exceso de esas partículas, sería una señal de la existencia de un bosón de Higgs con dicha masa.





Masa del Boson de Higgs
Resultado del CMS para el canal de desintegración de dos fotones. La pequeña prominencia en la curva es el bosón de Higss, a unos 125 GeV (CERN/CMS)




Así es cómo los científicos han conseguido, poco a poco, delimitar la masa del bosón de Higgs en torno a los 125-126 GeV. Es decir, no sólo han logrado descartar su presencia en el resto de rangos de energía, sino que además han encontrado evidencias del bosón de Higgs para esa masa en dos canales de desintegración; en concreto la desintegración en dos fotones (ver imagen superior) y la desintegración en dos bosones Z, que a su vez se desintegran en cuatro leptones cargados. (Estos dos canales de desintegración son más fáciles de detectar en el LHC debido a las características de los detectores ATLAS y CMS.)



Detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones
Montaje del calorímetro del detector ATLAS del LHC. Los ocho imanes toroidales rodean al calorímetro, que mide la energía de las partículas que se producen cuando los protones colisionan en el centro del detector


Pero resulta que estos dos procesos son muy poco habituales: el primero sólo ocurre el 0,2% de las veces, mientras que el otro sucede el 0,01%. Como es una cuestión de probabilidad, aquí es donde entra en juego la estadística y el realizar un gran número de colisiones.


Detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones
El ATLAS es un detector de partículas ubicado en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Se utiliza para buscar posibles pruebas relacionadas con el origen de la masa y con la existencia de dimensiones adicionales




Este libro se centra en el descubrimiento del bosón de Higgs sin profundizar en cómo la partícula divina proporciona la masa a las partículas (la autora lo hace en otro libro más extenso). Lo considero importante y por eso quería añadir el siguiente apartado.



El Origen de la Masa


Las partículas elementales deben poseer masa (energía por existir). Sin embargo es muy difícil incorporar consistentemente una masa no nula para las partículas en el Modelo Estándar de Partículas sin estropear otros hechos básicos, como ciertas simetrías que sabemos que se cumplen. El bosón de Higgs y el Mecanismo de Higgs pueden solucionarlo.




Gran Colisionador de Hadrones
El solenoide compacto de muones es un detector de partículas ubicado bajo tierra, en una gran caverna excavada en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones. Este detector ayudará en la búsqueda del bosón de Higgs y en la adquisición de nuevos conocimientos acerca de la naturaleza de la materia oscura



Las propiedades de las interacciones y sus partículas mediadoras son consecuencia de las simetrías del Modelo Estándar. Es más, las propias interacciones son consecuencia de estas simetrías.

No obstante estas simetrías implican que las masas de las partículas mediadoras debe ser nula, lo que ocurre para el fotón, el gravitón y el gluón pero no para los bosones gauge débiles W+, W-, y Z°. A su vez la ausencia de estas simetrías puede provocar inconsistencias en el Modelo Estándar. Necesitamos que las ecuaciones sean simétricas con lo que la masa de las partículas debe ser nula. Esta inconsistencia hacía peligrar el Modelo Estándar completo.



Particulas del Modelo Estandar
Partículas fundamentales del Modelo Estándar


¿Cómo reconciliar pues las simetrías de las interacciones con la masa de las partículas? La respuesta es mediante el Mecanismo de Higgs, una manera elegante de solucionar esta aparente inconsistencia, y posiblemente la más sencilla. Por eso los científicos tenían tanta confianza en que lo acabarían encontrando.

En la propuesta de Higgs, el campo de Higgs impregna el espacio como si de un líquido viscoso se tratara haciendo que las partículas que interaccionan con él adquieran masa al friccionar con él y experimentar resistencia al movimiento.

Este mecanismo conserva la simetría y se solucionan las inconsistencias. A pesar de la masa, la simetría sigue estando ahí, aunque camuflada. El Campo de Higgs permite que las simetrías se rompan "aparentemente". La simetría permanece en las ecuaciones, pero no en las soluciones.

La diferencia de masa entre las partículas viene por la intensidad diferente de interacción de la partícula con el Campo de Higgs. Desafortunadamente el mecanismo de Higgs dice por qué las partículas tienen masa pero no cuánto debe valer, a excepción de los bosones gauge débiles. Los valores de estas masas han sido confirmados por experimentos en el CERN.

La Ruptura Espontánea de Simetría permite que las partículas mediadoras de las interacciones asociadas a las simetrías rotas adquieran masa. Igual que todas las partículas de la materia al interaccionar con el Campo de Higgs. Las simetrías que se rompen son las relacionadas con las interacciones cuyos bosones tienen masa, es decir, los bosones gauge débiles.

La interacción débil y la electromagnética provienen de una gran simetría, la llamada electrodébil. Esta simetría se camufla debido a que el Campo de Higgs es no nulo en el vacío. Sin embargo no toda la simetría se rompe porque los fotones no tienen masa al no interaccionar con el bosón de Higgs.


Valor no nulo del Campo de Higgs en el vacío

Al principio el Campo De Higgs tenía un valor nulo. Pero poco después del Big Bang, este campo tomó un valor no nulo debido a una transición de fase provocada por la bajada de la Temperatura. El enfriamiento del Universo (reducción de su energía) era entonces insuficiente para mantener la simetría.

Cuando el Universo se enfrió, un vacío sin el campo de Higgs era una configuración energética menos favorable que un vacío lleno de bosones de Higgs, que era el estado natural. En ese momento se produce la Ruptura Espontánea de la Simetría Electrodébil. Sin este fenómeno, los electrones no tendrían masa, se moverían a la velocidad de la luz con lo que no se hubieran podido formar los átomos, de ahí la importancia del Mecanismo de Higgs.


Sunday, September 4, 2016

LA REALIDAD OCULTA DE BRIAN GREENE





Muchos de los desarrollos importantes en la física teórica fundamental (Teoría de la Relatividad, física cuántica, física cosmológica, física unificada, física computacional) llevan a considerar una u otra variedad de universos paralelos. En ellos las leyes pueden ser iguales que las nuestras, parecidas o totalmente diferentes.





La Realidad Oculta fe Brian Greene

Portada del libro La Realidad Oculta, escrito por Brian Greene



En este libro de Brian Greene se repasan, en los diferentes capítulos, los tipos de Universos Paralelos a los que conducen las teorías físicas actuales, y que serían:

  • Multiverso Mosaico
  • Multiverso Inflacionario
  • Multiverso Brana
  • Multiverso Cíclico
  • Multiverso Paisaje
  • Multiverso Cuántico
  • Multiverso Holográfico
  • Multiverso Simulado 
  • Multiverso Final 

Capítulo 2 - Multiverso Mosaico



Si el espacio se extiende indefinidamente, entonces debe haber dominios ahí fuera donde copias nuestras disfrutan de versiones alternativas de nuestra realidad.

Las condiciones en un universo infinito se repiten necesariamente a lo largo del espacio, lo que da mundos paralelos. Si el número de partículas de un universo es finito, hay una manera finita de ordenarlas, generando universos replicados a lo largo del espacio infinito.


Capítulo 3 - Multiverso Inflacionario



La teoría inflacionaria genera su propia versión de mundos paralelos. Cada uno de estos universos en rápido aumento es infinito, y con ello contiene un número infinito de los mundos paralelos como los del segundo capítulo.

La inflación cosmológica eterna da una enorme red de universos burbuja, de los que nuestro universo sería uno.

Big Bang con una primera fase de inflacion
Representación del Big Bang con una primera fase de inflación o expansión acelerada


Fondo Cosmico de Microondas
Explicar la homogeneidad del Fondo Cósmico de Microondas es uno de los objetivos de la Teoría de la Inflación


Capítulo 4 - Teoría de Cuerdas


Ideas básicas y estado actual de la Teoría de Cuerdas. Algunas de estas ideas son partículas como vibraciones de cuerdas o filamentos de energía, dimensiones extra compactificadas, cuerdas abiertas y cerradas

En la actualidad la Teoría de Cuerdas proporciona una manera de unir la gravedad y la Mecánica Cuántica, unificar todas las fuerzas (como pautas vibracionales de cuerdas) incorporando la Relatividad General y la Mecánica Cuántica como límites a baja energía o velocidad.

Sin embargo todavía no es capaz de explicar por qué las partículas tienen las propiedades que tienen (al no proporcionar una manera de escoger entre las múltiples maneras de compactificar las dimensiones extras). Tampoco hay una confirmación experimental la teoría al no haberse podido extraer predicciones de ella. La limitación de la tecnología actual tampoco ayuda.

Parece que el siguiente paso en la Teoría de Cuerdas sería intentar expresar las ecuaciones de la teoría en su forma más exacta, útil y general, evitando o mejorando las aproximaciones perturbativas.

Capítulos 5 y 6 - Multiversos Brana, Cíclico y Paisaje



La teoría de Cuerdas sugiere 3 tipos de Universos Paralelos:


1) Mundobranas flotando en un espacio de más dimensiones.

En el escenario mundobrana de la teoría-M/de cuerdas, nuestro universo existe en una brana tridimensional que flota en una extensión de dimensiones más altas potencialmente poblada por otras branas, otros universos paralelos.


2) Mundobranas que chocan entre sí, creando múltiples Big Bangs.

Las colisiones entre mundobranas pueden manifestarse como comienzos tipo big bang, lo que da universos que son paralelos en el tiempo

3) Multiverso Paisaje

Paisaje de la Teoría de Cuerdas debido a múltiples formas y tamaños posibles para las dimensiones extras.


Combinando cosmología inflacionaria y teoría de cuerdas, las muchas formas diferentes para las dimensiones extra de la teoría de cuerdas dan lugar a muchos universos burbuja diferentes.


Capítulo 6 - Energía Oscura


Observaciones en 1998 de un tipo concreto de supernovas muestran la existencia de una energía oscura o Constante Cosmológica, que hace que actualmente el Universo se esté expandiendo de forma acelerada.


Capítulo 7 - ¿Son ciencia las teorías de multiversos?


La consideración de universos más allá del nuestro, ¿ Puede ser entendida correctamente como una rama de la ciencia?

La cuestión es si las teorías sobre multiversos pueden conducir a predicciones comprobables en nuestro Universo, considerando que los otros nos son inaccesibles. En caso negativo no podrían considerarse como ciencia.


Capítulo 8 - Universos Paralelos de la Mecánica Cuántica



La mecánica cuántica, mediante su propiedad de linealidad, sugiere que cada posibilidad encarnada en sus ondas de probabilidad como soluciones de la Ecuación de Schrodinger se realiza en uno de un inmenso conjunto de universos paralelos.


Ecuacion de Schrodinger
Ecuación de Schrodinger

Es la interpretación de todos los caminos posibles como la existencia de múltiples universos donde se dan todos los posibles resultados de un experimento/ decisión.


Capítulo 9 - Multiverso Holográfico



El principio holográfico afirma que nuestro universo es exactamente reflejado por fenómenos que tienen lugar en una lejana superficie frontera, un universo paralelo físicamente equivalente.

Así pues, lo que experimentamos es una proyección holográfica de procesos que tienen lugar en alguna superficie lejana que nos rodea. Un suceso refleja un proceso paralelo que ocurre en una realidad distante y diferente.



Capítulo 10 - Multiversos Simulado y Final



¿Las leyes de la física permiten crear nuevos universos?¿Pueden existir universos software?

Multiverso Simulado

Los saltos tecnológicos sugieren que los universos simulados pueden ser posibles algún día. Se basan en la hipótesis de que la realidad se genera en nuestra mente al realizar un procesado de la información recibida de los sentidos por parte de nuestro cerebro.

Multiverso Final

El principio de fecundidad afirma que todo universo posible es un universo real, obviando con ello la pregunta de por qué una posibilidad – la nuestra – es especial. Estos universos ejemplifican todas las ecuaciones matemáticas posibles.



Es curioso que todas las propuestas de universos paralelos surjan espontáneamente de las matemáticas de Teorías desarrolladas para explicar datos y observaciones convencionales.


Opinión Personal



Me ha parecido un libro muy sobrio, equilibrado en el que el autor se muestra cauto y bastante neutral sobre las teorías físicas más vanguardistas. Por ejemplo, en el libro El Universo Elegante, este mismo autor se mostraba muy convencido de que la Teoría de Cuerdas debía de ser correcta y que solo las complicadísimas matemáticas nos impedían explorarla a fondo y obtener predicciones comprobables en el laboratorio.

Sin embargo, una década más tarde, se muestra algo más escéptico debido a las continúas dificultades con que se va topando esta teoría. Aún así hay otros autores menos rigurosos que creen que la Teoría de Cuerdas superará todas las dificultades y se convertirá en la gran teoría unificada de la física.

También me ha gustado que hace un repaso exhaustivo a todos los multiversos paralelos a los que conducen las teorías actuales, lo que proporciona una visión global bastante buena.

A pesar de la complejidad del contenido del libro, se esfuerza en explicarlo de la manera más didáctica posible, con múltiples ejemplos. Aún así, el capítulo sobre el multiverso inflacionario, seguramente el que más me ha gustadopor, requiere una lectura a conciencia para comprenderlo bien.

Los capítulos 7 y 10 son los que menos me han gustado. 

En el primero el autor reflexiona sobre si las teorías sobre multiversos pueden conducir a predicciones comprobables en nuestro Universo, considerando que los otros nos son inaccesibles. En caso negativo no podrían considerarse como ciencia.

El último capítulo del libro me parece de contenido muy especulativo, más propio de la metafísica que de la física. Sin embargo, es posible que en unos años, con el avance de la tecnología, este capítulo tenga más de científico que de filosófico.