Partículas misteriosas

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Algunos físicos actúan a veces como si las hipótesis que proponen para explicar los misterios del universo fuesen siempre reales. Pero una hipótesis no es más que una propuesta para explicar un fenómeno natural, y no se puede considerar como una teoría confirmada mientras no haya proporcionado una o más predicciones acertadas sorprendentes. Este último detalle, que es esencial, generalmente se omite.

En 2020 leí dos libros de divulgación sobre cosmología y física de partículas (ambas ramas de la física están muy relacionadas):

¿Fantasmas en el universo?

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El modelo cosmológico estándar ha introducido en la física dos conceptos nuevos, que no existían antes:

• La materia oscura: Parece ser cinco veces más abundante que la materia ordinaria, pero no sabemos lo que es, qué la compone. Sólo sabemos que parece estar sujeta a la gravedad, y hasta ahora se ha llegado a la conclusión de su existencia por dos caminos diferentes: a) Analizando el movimiento de rotación de las galaxias, que parece exigir que haya en ellas más masa de la que podemos ver. b) Estudiando la radiación cósmica de fondo de microondas, que ha servido de base para ajustar el modelo cosmológico estándar.
• La energía oscura: No tenemos ni idea de lo que es. Algunos hablan de una quinta interacción (o fuerza) fundamental, la quintaesencia, que se uniría a las cuatro que conocemos: gravitación, electromagnética, fuerte y débil. Otros ofrecen otras explicaciones, ninguna de las cuales ha recibido confirmación experimental. La hipótesis de su existencia se apoya también en dos observaciones: a) Analizando la velocidad de expansión del universo, tras el descubrimiento, en 1998, de que dicha velocidad se está acelerando. b) Estudiando la radiación cósmica de fondo de microondas, que ha servido de base para ajustar el modelo cosmológico estándar.

La ilusión de la antigravedad

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El hombre siempre ha deseado poder volar. Ver cómo lo hacen las aves y no poder hacerlo le ha obsesionado, hasta el punto de provocar no pocos accidentes. Es un ansia que ya conocen los niños muy pequeños. Sirvan de prueba algunos percances que provocó a finales de los años setenta la visión de la película Superman.

A finales del siglo XIX se conocían dos interacciones fundamentales: la electromagnética y la gravitatoria. En un respecto, las dos son muy diferentes. Los cuerpos cargados de electricidad pueden tener carga positiva o negativa. Una carga positiva y una negativa se atraen; dos positivas o dos negativas se repelen. De igual manera, los cuerpos magnéticos presentan dos extremos con magnetismo de tipo diferente, norte y sur. Si acercamos dos imanes, el extremo norte de uno y el extremo sur del otro se atraen; los extremos del mismo tipo se repelen.

El misterio de la constante cosmológica

Alexander Fridman
(Александр Фридман)

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Este artículo completa un artículo anterior con un título parecido: El problema de la constante cosmológica.

En primer lugar, vamos a distinguir tres conceptos diferentes, pero que podrían estar relacionados:

1. La energía del vacío: se debe a la aparición constante de pares de partículas y antipartículas que se desintegran inmediatamente entre sí, de modo que son indetectables por experimentación directa. Su aparición es consecuencia del principio de incertidumbre: ΔE×Δt<ħ/2, que implica que una partícula con la energía ΔE puede aparecer espontáneamente durante un tiempo Δt<ħ/(2ΔE), tanto más pequeño cuanto más grande sea ΔE. Así, un electrón virtual duraría menos de 4×10^-21 segundos. Un protón, cuya masa es 1837 veces mayor, duraría 1837 veces menos. Aplicando la teoría cuántica de campos a todas las partículas conocidas, se puede estimar la energía del vacío.

Cuáles fueron los mayores avances científicos del siglo

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La revista de divulgación científica Science News ha cumplido en 2021 cien años (un siglo) de existencia. Para celebrar esta efeméride, la revista ha publicado una lista de los que, según el autor, son los diez mayores avances científicos realizados entre 1921 y 2021. Esta es la lista, ordenada según la importancia del descubrimiento para el autor del artículo (de mayor a menor):

¿Hay energía en el universo?

Georges Lemaître

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Durante los años 50 entraron en competencia dos teorías cosmológicas contrapuestas: la del Big Bang, propuesta por Georges Lemaître, y la del estado estacionario, propuesta por Hermann Bondi y Thomas Gold. Aunque la segunda tenía que renunciar al principio de la conservación de la energía, el más sagrado de la física, los cosmólogos ateos la preferían al Big Bang, porque les parecía que esta última teoría exigía aceptar la creación por parte de Dios. En palabras del astrónomo inglés Raymond Littleton, en su libro de divulgación The Modern Universe (1956):

Una teoría como esta [el Big Bang] que remonta la creación a un instante singular en el pasado remoto... para algunas mentes, es una objeción que implicaría eliminar del ámbito de la ciencia la cuestión del origen del material del universo... Esta consideración no significa, por supuesto, que la teoría de la explosión sea necesariamente errónea, pero pone el acto de la creación, como podríamos llamarlo, fuera del alcance de la ciencia.

Con otras palabras: Raymond Littleton pone objeciones a la teoría del Big Bang porque podría forzarnos a reconocer la existencia de un Dios creador. No se puede decir más claro.

La física, ¿ciencia o literatura?

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Freeman Dyson, que propuso un sistema
para extraer energía de las estrellas

Se supone que la física es la más rigurosa de las ciencias experimentales, la más próxima a las matemáticas, que sirven de base fundamental a todas las ciencias. Sin embargo, algunos desarrollos recientes hacen dudar de ello. En otros artículos he hablado de algunos: las teorías del multiverso, los viajes en el tiempo, que suelen proporcionar titulares con gancho en los medios de comunicación, pero que no pueden considerarse teorías científicas, no porque no se puedan comprobar, sino porque es imposible demostrar que sean falsas.

Un artículo reciente publicado en la revista de alta divulgación Science News puede clasificarse dentro de este grupo, y en mi opinión añade leña al fuego, poniendo en peligro el prestigio de la física como ciencia rigurosa y convirtiéndola más bien en literatura de ciencia-ficción. Esta publicación hace referencia a un artículo recientemente publicado en arXiv, cuyo título es bastante significativo: La vida frente a la Energía Oscura: Cómo una Civilización Avanzada podría resistirse a la Expansión Acelerada del Universo. Este artículo ha sido clasificado en la categoría Cosmology and Nongalactic Astrophysics.

Qué es una teoría científica

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Karl Popper

Aunque esté de moda decir que las teorías de Karl Popper sobre la evolución de la ciencia están pasadas de moda, su definición de lo que es una teoría científica es inapelable:

Una teoría es científica si y sólo si es posible diseñar un experimento que demuestre que esa teoría es falsa.

Un caso paradigmático es la Interpretación de Copenhague de la Mecánica Cuántica. En 1935, Einstein, Podolsky y Rosen diseñaron un experimento que podría echar abajo dicha teoría. Unos meses más tarde, Niels Bohr publicó otro artículo en la misma revista, en el que respondía al artículo anterior. Casi 30 años después, como expliqué en otro artículo de este blog, el experimento EPR, que hasta entonces había sido mental, pudo llevarse a cabo y confirmó las predicciones de Bohr, en lugar de las de Einstein. Como esta teoría fue capaz de resistir un intento de demostrar su falsedad, debe ser considerada como una teoría científica.

Eso sí, este éxito de la teoría no implica que automáticamente deba considerase correcta o verdadera. Las teorías científicas (siempre según Popper) nunca llegan a serlo. Esta ha resistido con éxito un intento de echarla abajo, pero el próximo podría conseguirlo.

El modelo cosmológico estándar

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Mapa de la Radiación Cósmica de Fondo

En 1927, el sacerdote y astrónomo belga Georges Lemaître descubrió la ley de Hubble.

Sí, es correcto. Hubble no descubrió la ley hasta 1929. Lo que pasó fue que Lemaître lo publicó en francés en una revista de poco impacto (Annales de la Société Scientifique de Bruxelles), mientras Hubble, que lo publicó dos años más tarde en inglés en los Proceedings of the National Academy of Sciences, recibió mucha más publicidad y su nombre quedó asociado al descubrimiento.

Combinada con la ecuación cosmológica de Einstein, la ley de Lemaître-Hubble implica que el universo está en expansión. En un artículo publicado en 1931 en Nature, Lemaître sacó las consecuencias de esto proponiendo la teoría del Big Bang, así llamada en burla por su opositor Fred Hoyle en 1950. El nombre cuajó.

En 1948, Ralph Alpher, George Gamow y Robert Herman hicieron dos predicciones sorprendentes, partiendo de la teoría del Big Bang: la composición media de la masa del cosmos (tres cuartas partes de hidrógeno y una de helio), y la existencia de la radiación cósmica de fondo. Ambas fueron comprobadas durante los años sesenta. A partir de ahí, la teoría del Big Bang se convirtió en la teoría cosmológica estándar.

A vueltas con la energía oscura

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Albert Einstein

En un artículo anterior mencioné que Einstein introdujo un tercer término en el segundo miembro de su ecuación cosmológica, para intentar que dicha ecuación tuviera como solución un cosmos estacionario, que no se expandiera ni se contrajera. El intento no consiguió su objetivo, porque dicho cosmos estacionario habría estado en equilibrio inestable, y la menor variación le habría empujado a expandirse o a contraerse. El término en cuestión depende de una constante (L, la constante cosmológica), que fue introducida por las buenas y en realidad no sabemos lo que es.

Ecuación cosmológica de Einstein

Durante la mayor parte del siglo XX, se dio por supuesto que el valor de la constante cosmológica debía ser cero. Con otras palabras, que el tercer término de la ecuación de Einstein no existía, que no era necesario. Sin embargo, en 1998 se descubrió que el universo parece estar en expansión acelerada. Al menos, eso parece indicar el estudio de las supernovas que aparecen en galaxias muy lejanas, a unos 1000 millones de años-luz de nosotros. Para explicarlo se resucitó el término de la constante cosmológica, pero dando a esta un valor de signo contrario al que propuso Einstein, para que en vez de contrarrestar la expansión, la acelerase. Esta propuesta se ha convertido en el modelo cosmológico estándar, en el que el primer término de la ecuación, que representa el efecto de la masa, cuenta actualmente como un 31%, mientras el tercero, el de la constante cosmológica, cuenta como un 69%. En este modelo, el segundo se considera nulo. Dejo aparte la cuestión de que el término de la masa tampoco cuadra, y ha sido preciso suponer que existe una materia oscura, que tampoco sabemos lo que es.

Problemas pendientes en el modelo cosmológico estándar

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El modelo cosmológico estándar, que se impuso hacia 1998, recibe el nombre de LCDM y se basa en las siguientes afirmaciones:

• El universo empezó con un Big Bang, tras el cual hubo una etapa de expansión acelerada (la inflación), que después se redujo hasta niveles próximos a los actuales. Más tarde apareció la materia ordinaria, formada esencialmente por hidrógeno y helio.
• La curvatura media del cosmos es próxima a cero (universo plano): el espacio tridimensional es aproximadamente euclídeo.
• La densidad media de materia del cosmos equivale a alrededor del 30% de la densidad crítica (la que separa un cosmos abierto, en expansión ilimitada, de un cosmos cerrado, que volvería a contraerse). Como la densidad de materia ordinaria que se ha detectado hasta ahora representa menos de un 5% de la densidad crítica, el resto (más del 25%) tendría que ser una forma desconocida (la materia oscura). De hecho, sería lo que se llama materia oscura fría, lo que explica las siglas CDM en el nombre del modelo (Cold Dark Matter). En un artículo anterior hablé sobre la materia oscura.

El error de Einstein

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Cuando Einstein formuló en 1915 la teoría de la Relatividad General, no tardó en aplicarla al universo entero, obteniendo la siguiente ecuación cosmológica:

Es curioso que esta ecuación sea idéntica a la ecuación que se obtendría a partir de la teoría de la gravitación de Newton. Tan sólo hay una diferencia entre las dos: la constante k representa, en el caso de Newton, la energía total del universo; en el caso de Einstein, su curvatura.

Cada término de esta ecuación contiene una constante universal. Aparte de k, G es la constante gravitatoria; L es la llamada constante cosmológica, cuya interpretación no está muy clara. Inicialmente Einstein pensó que podría eliminar ese término de la ecuación haciendo L=0. Así la ecuación se simplifica y es posible resolverla analíticamente. Entonces descubrió que la solución, en ese caso, era un cosmos en expansión continua. Como él creía que el universo tenía que ser estacionario, decidió asignarle a L un valor crítico L_c, para conseguir que lo fuera.