LOS GRANDES PROBLEMAS DE LA FISICA

A principios del S. XVI tuvo lugar la Revolución de Copérnico que culminó con la Teoría Gravitatoria de Newton de 1687. Esta revolución puso fin a las teorías aristotélicas del espacio, el tiempo, el movimiento y la cosmología.

A principios del S.XX se inició la revolución actual con Max Planck y la cuantización de la energía y con la Teoría de la Relatividad de Einstein. Esta revolución esta inacabada con algunos problemas físicos pendientes de resolver.

Relación de Planck que expresa la energía de un cuanto, es decir, la cuantización de la energía

La ecuación más famosa de la Teoría de la Relatividad Especial

Se trata de cinco grandes problemas pendientes desde la década de los 70. Se ha aprendido mucho sobre ellos pero siguen sin estar resueltos. Cualquier teoría sobre física fundamental debe resolver estos cinco problemas:

1) El Problema de la Gravedad Cuántica.

2) El Problema de los fundamentos de la Mecánica Cuántica.

3) El Problema de la Unificación de las partículas y las interacciones.

4) El Problema de los valores de las constantes físicas.

5) El Problema de la Materia Oscura y la Energía Oscura.

1) El Problema de la Gravedad Cuántica

Combinar la Teoría de la Relatividad General y la Teoría Cuántica en una única teoría que pueda afirmar ser una teoría completa de la naturaleza.

Ambas teorías funcionan bien por separado. Pero la existencia de una hace incompleta la otra. La naturaleza, al estar unificada, exige una teoría unificada. Además, en la naturaleza no hay infinitos pero en la Relatividad General y en la Mecánica Cuántica por separado sí, como en los agujeros negros y en la descripción cuántica de campos respectivamente.

El espacio-tiempo se curva dramáticamente cerca de un agujero negro. En su centro la curvatura es tal que la Relatividad General pierde toda capacidad de predicción

La incompatibilidad radica en que la noción de una geometría lisa, que constituye el principio fundamental de la Relatividad General, queda destruida por las violentas fluctuaciones del mundo cuántico a escalas de distancias pequeñas dictadas por el principio de incertidumbre.

El Principio de Incertidumbre impide conocer con exactitud simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula 

La Relatividad General se construye sobre espacios de Riemann "suaves" que posibilitan el principio de Equivalencia: cerca de cada punto del espacio-tiempo siempre podemos aproximar la métrica por una plana como la de la Relatividad Especial.

Sin embargo las fluctuaciones cuánticas originadas por el Principio de Incertidumbre generan geometrías del espacio-tiempo extremas muy distorsionadas o retorcidas incompatibles con el Principio de Equivalencia. Por ejemplo, estas fluctuaciones permiten campos gravitatorios con espacio vacío en promedio, cosa que la Relatividad General prohíbe.

Las ecuaciones de la Relatividad General se basan en unos objetos geométricos llamados tensores propios de los espacios de Riemann. Por tanto estas ecuaciones son tensoriales e invariantes ante cambios de coordenadas

Por tanto la formulación matemática de la Relatividad General no es capaz de modelar geometrías del espacio-tiempo provocadas por las fluctuaciones cuánticas. Esta incompatibilidad se muestra a escalas inferiores a la longitud de Planck.

Longitud de Planck

Una teoría de la gravedad cuántica seguramente estará basada en una nueva geometría (de tipo no conmutativa y quizás no continua o discreta) que modele las fluctuaciones cuánticas a la escala de Planck y que a escalas mayores haga emerger las propiedades suaves del espacio-tiempo que observamos.

2) El Problema de los fundamentos de la Mecánica Cuántica

Resolver los problemas de los fundamentos de la Mecánica Cuántica, sea haciendo que la teoría tenga sentido en su formulación actual, sea inventando una nueva teoría que tenga sentido.

La Mecánica Cuántica explica muchos fenómenos y sus predicciones siempre han sido confirmadas pero describe una realidad un tanto extraña y oculta algunas paradojas conceptuales aparentes pendientes de resolver:

• Dualidad Onda-Partícula.

• Descripción solo Estadística.

• Limitación por el Principio de Incertidumbre.

• Solo proporciona probabilidades.

• Las partículas viajan por todos los caminos posibles.

• El acto de medición colapsa la función de onda.

La función de onda viene determinada por la Ecuación de Schrödinger

Entonces, ¿La Mecánica Cuántica explica todo lo que ocurre?¿Hay algo más?

Existen varias formas de intentar solventar este problema:

a) Determinar un lenguaje razonable para la teoría que resuelva todas las incógnitas y que incorpore la división del mundo en sistema y observador como una característica esencial de la teoría.

b) Encontrar una nueva interpretación de la teoría, que sea realista, de modo que ni la observación ni la medición desempeñen ningún papel en la descripción de la realidad fundamental.

c) Desarrollar una nueva teoría que nos permita una comprensión más profunda de la naturaleza que la proporcionada por la Mecánica Cuántica.

3) El Problema de la Unificación de las partículas y las interacciones

Este problema consiste en determinar si las diversas partículas e interacciones pueden unificarse en una teoría que las explique a todas como la manifestación de una única entidad fundamental.

Partículas e interacciones fundamentales según el Modelo Estándar

Por ejemplo, la Teoría de Cuerdas realiza esta unificación afirmando que las partículas y las fuerzas (es decir, sus partículas mediadoras) son los diferentes patrones o frecuencias de vibración de una cuerda.

La Teoría de Cuerdas unifica las partículas y las interacciones como los diferentes modos de vibración de minúsculos filamentos de energía llamados cuerdas

4) El Problema de los valores de las constantes físicas

Explicar cómo se determina la naturaleza de las constantes físicas libres del Modelo Estándar de la física de partículas.

Un ejemplo es la constante de estructura fina, una de las constantes más importantes de la naturaleza. Es una constante de acoplamiento, en este caso, la probabilidad de emisión de un fotón por un electrón.

Esta constante controla, por tanto, la intensidad de la fuerza electromagnética y, de esta manera, el tamaño del átomo, la velocidad de los electrones o la fuerza entre átomos.

La constante de estructura fina es una de las aproximadamente 20 constantes del Modelo Estándar cuyo valor la teoría no predice y deben ser medidos en el laboratorio e introducidos en la teoría

Además el Modelo Estándar no establece por sí solo cuales son los campos (partículas) básicos de la naturaleza, ni cuales son sus interacciones.

5) El Problema de la Materia Oscura y la Energía Oscura

Explicar la materia oscura y la energía oscura. O si no existen, determinar en qué modo y por qué la gravedad se modifica a grandes escalas. Y, de manera más general, explicar por qué las constantes del Modelo Estándar de Cosmología (unas 15), entre ellas la Energía Oscura, tienen los valores que tienen.

Actualmente se considera que los porcentajes de Materia Ordinaria, Materia Oscura y Energía Oscura son:

• 70% Energía Oscura
• 26% Materia Oscura
• 4% Materia Ordinaria

Materia Oscura

Es la señal más clara de la existencia de nueva física más allá del Modelo Estándar. Se trata de una materia invisible que se muestra gracias a efectos gravitatorios sobre la materia ordinaria y la luz (curva los rayos luminosos).

Una primera prueba de la existencia de la materia oscura procede de la observación en 1959 de que la rotación de la galaxia espiral M33 no sigue la Ley de Gravitación Universal de Newton

Hay muchas pruebas de su existencia pero se desconocen su propiedades. Posiblemente esté hecha de partículas desconocidas y que interaccionan poco con la materia ordinaria (parecidas a los neutrinos).

El solenoide compacto de muones, CMS, es un detector de partículas del Gran Colisionador de Hadrones. Este detector ayudará en la adquisición de nuevos conocimientos acerca de la naturaleza de la materia oscura

La supersimetría proporciona un candidato: el neutralino. Esta partícula sería la compañera supersimétrica del fotón, o del bosón Z o del bosón de Higgs.

Los bosones y sus posibles  compañeras supersimétricas. El Fotino, el Zino y el Higgsino serían diferentes tipos de neutralinos

Los fermiones y sus posibles partículas supesimétricas

Energía Oscura

Es la energía del vacío. Es un 70% del total de materia y energía. Es una energía misteriosa. La prueba actual de su existencia es la aceleración de la expansión del Universo comprobada en 1998 al estudiar la velocidad de alejamiento de un tipo concreto de supernovas, las Ia.

Evolución del Universo según el modelo de Big Bang. Se observan dos expansiones aceleradas: al principio en la fase de inflación y en la actualidad por la energía oscura

La homogeneidad del Fondo Cósmico de Microondas se explica por un brote intenso de gravedad repulsiva como la energía oscura llamada inflación instantes posteriores al Big Bang