martes, septiembre 02, 2008

Física Cuántica: Universos Paralelos y Misterios de la Cosmología

Los físicos hoy en día creen que existe un conjunto infinito de universos paralelos al que llaman Multiverso y que el universo conocido por la física hasta ahora es solo uno de ellos. Estas novedosas ideas se fundamentan en los avances alcanzados por la mecánica cuántica y la física teórica a partir de la llamada Teoría de la Cuerdas (String Theory en inglés) la cual asume que las partículas materiales aparentemente puntuales son en realidad estados vibracionales de un objeto más básico llamado 'cuerda'. Esta teoría que comenzó a desarrollarse en la década de los 80 actualmente ya tiene un grado de madurez tal que muchos físicos la consideran como la Teoría del Todo (Theory of Everything).

Universos Paralelos como burbujas de la Inflación Cósmica

Constantes Físicas Fundamentales: Principio Antrópico

La razón por la cual nuestro universo es tan especial entre todos los posibles mundos del multiverso es porque el conjunto de las constantes físicas fundamentales está muy finamente sintonizado para permitir no solo la aparición de nuestro sistema solar y nuestro planeta Tierra con la vida biológica en toda su maravillosa diversidad, impulsada por la explosión cámbrica hace más de 500 millones de años, sino también la existencia de la consciencia de tipo autoreflexiva que nos da el sentido del Ser (el inefable sentido que tenemos de que Yo Existo o Yo Soy) y que, como diría un filósofo, es lo que en fin de cuentas nos permite observar el Universo que nos ha creado y llegar a conocernos a nosotros mismos.

Este conjunto de constantes físicas fundamentales que hasta ahora se cuentan en más de veinte, las cuales funcionan como parámetros de ajuste en las múltiples teorías y modelos matemáticos de la física, incluye por ejemplo: La constante de gravitación universal de Newton, la velocidad de la luz en el vacío derivada de las ecuaciones de Maxwell, la constante termodinámica de Boltzmann, la constante cuántica de Planck, el radio atómico de Bohr, la constante cosmológica de Einstein, la carga eléctrica elemental, la masa en reposo y el spin de las partículas elementales, así como las constantes de acoplamiento de las cuatro fuerzas físicas fundamentales: gravitación, electromagnetismo, e interacciones nucleares fuertes y débiles (incluyendo la constante de estructura fina de Sommerfeld, la relación entre la intensidad de la fuerza gravitacional versus la fuerza electromagnética, la relación entre la masa en reposo del protón sobre la del electrón y los parámetros de acoplamiento de leptones y quarks; ver Modelo Estándar más adelante).

Quizás lo más asombroso de todo esto es que con solo cambiar un poco el valor de cualquiera de estas constantes físicas, nuestro universo resultaría ser muy diferente a lo que conocemos, y quizás ni siquiera podría haber llegado a crearse. Por ejemplo, si imaginamos cada universo del multiverso como una burbuja que se formó durante la Inflación Cósmica (ver más adelante sobre la linea del tiempo del Big Bang) cada una con sus propios valores de las constantes físicas, entonces en las burbujas donde la gravedad es muy débil las galaxias y los planetas no pudieron haberse formado, aunque por otro lado si la gravedad es muy fuerte pués entonces todas las galaxias serían huecos negros. También si la interacción nuclear fuerte no lo fuera tanto, no habría fusión nuclear y los átomos no podrian formarse. Y si la interacción nuclear débil resultara ser más fuerte de lo que es, entonces tendríamos demasiada radiactividad, etc. etc.

Otro ejemplo un tanto dramático es que se ha calculado que si la constante de estructura fina (constante adimensional α de Sommerfeld) cambiara en un 4% solamente, entonces la fusión estelar no produciría el elemento químico carbono, lo cual haría que la vida (basada en el carbono) fuera imposible. Aún más, si dicha constante α fuera mayor que 0.1, entonces la fusión estelar en general sería imposible y ningún lugar en el Universo podría ser suficientemente tibio para soportar la vida biológica como la conocemos.

Este sorprendente hecho es lo que los científicos llaman el Principio Antrópico de la Física (que indirectamente implica la Hipótesis Gaia de la Biología), y que algunos interpretan como un argumento de diseño o propósito para la existencia de nuestro Universo como providenciador de la vida biológica inteligente y la consciencia.

El Principio Antrópico se puede enunciar en dos formas: a) La forma 'débil' que plantea que si las condiciones del universo fueran diferentes, nosotros posiblemente no existiríamos, es decir, que las circunstancias del universo hacen que la vida biológica sea posible pero no necesaria, o b) La forma 'fuerte' que argumenta que el universo tiene que ser como es para que nosotros podamos existir, es decir, que la circunstancias de nuestro universo hacen que la vida biológica sea inevitable (y con ella pueda emerger la consciencia en seres inteligentes como los humanos en la Tierra y quizás en otros mundos habitados también) lo cual es básicamente un argumento de diseño del Universo.

Aunque debe notarse que para los físicos en general el Principio Antrópico no es un argumento teísta, es decir, que esto no implica necesariamente la existencia de un Creador del Universo o Dios. Incluso cuando algunos físicos y filósofos utilizan el llamado 'argumento cosmológico Kalām', u otros argumentos deístas similares como la 'ley de causa y efecto', para afirmar la existencia de un Dios como Causa Primera del Universo, este Dios no sería el mismo que el dios bíblico Yahweh, ni tampoco el mismo dios de muchas de las religiones organizadas del mundo -- y en ese sentido cada físico como individuo es libre de tener su propia fe o creencia religiosa, así como sus propias opiniones o ideas metafísicas y filosóficas.

De cualquier forma que sea, el hecho que las teorías y los modelos matemáticos de la física requieran de tantas constantes o parámetros de ajuste finamente sintonizados es un problema por varias razones. Por ejemplo, el hecho que un cierto grupo de esas constantes sean fundamentales, es decir, que no puedan ser calculadas o derivadas a partir de ninguno de los Primeros Principios de la física, nos dice algo sobre las limitaciones de nuestras teorías y modelos físicos actuales.

Además el hecho que algunas de estas constantes sean adimensionales, como el caso de la constante de estructura fina alpha - α , que se interpreta como la probabilidad que un electrón absorba un fotón y que numéricamente igual a 1/137, es uno de los misterios de la física que nos sugiere que estas constantes posiblemente estén relacionadas por principios más profundos que no conocemos (ver la Conjetura de Feynman sobre el número 137). O incluso el hecho experimental que algunas no sean realmente 'constantes', ya que estas pueden variar en el tiempo también parece sugerir que existen otros principios y leyes más fundamentales que la física aún no conoce. Y estos son algunos de los problemas que los físicos deberían ser capaces de resolver en la medida que puedan continuar estas investigaciones fundamentales sobre el Universo.

Universo Multidimensional: Hiperespacio

Otro muy interesante aspecto de esta teoría es que predice la existencia de un Hiperespacio con un número de dimensiones espaciales mayor que las 3D que experimentamos en nuestra realidad cotidiana. Por ejemplo, la variante llamada Teoría M (o Supercuerdas) propuesta por Edward Witten en 1995, además de unificar las cuatro interacciones físicas fundamentales en una sola teoría matemática a partir de un conjunto de primeros principios y predecir la existencia de todo un conjunto de nuevas partículas llamadas parejas supersimétricas (en inglés, SUSY) también predice la existencia de un total de 11 dimensiones del espacio-tiempo. Estas dimensiones extra del espacio también son llamadas dimensiones ocultas, o 'hidden dimensions' en inglés, porque no se pueden observar directamente ya que se compactan por debajo de la Longitud de Planck de 10−35 m; como un cable de electricidad que desde lejos parece lineal pero cuando nos acercamos notamos que en realidad está formado por muchos hilos más finos.

La existencia de un universo de muchas dimensiones espaciales podría resultar tan maravilloso para nosotros los seres tridimensionales como lo era la tercera dimensión para los habitantes de la novela Planilandia (Flatland en inglés). Por eso entender la física de un posible universo multidimensional resulta ser tan importante en la actualidad.

Misterios de la Cosmología Física

Precisamente ese caracter multidimensional del universo podría ser la clave para explicar algunos de los misterios de la Cosmología Física, como la llamada materia oscura (dark matter) que mantiene las galaxias cohesionadas en sus formas espirales con igual velocidad de rotación frente a la distancia del centro de la galaxia, lo cual no se puede explicar solo mediante la materia visible. O la energía oscura (dark energy) que causa la expansión acelerada de nuestro universo; y de paso abrirnos la puerta a la realidad de muchos fenómenos hasta ahora considerados metafísicos.

Por otro lado la existencia de parejas supersimétricas predichas por la teoría podría permitirnos avanzar en el descubrimiento de nuevas formas de energía y materia hasta ahora desconocidas por la ciencia, que van más allá del actual Modelo Estándar de la física de partículas elementales, consistente hasta ahora en 16 partículas elementales divididas en 12 ferminones (partículas de materia) y 4 clases de bosones (mediadores de los campos de fuerza) en dependencia del tipo de interacción física fundamental de que se trate, más el Bosón de Higgs (también llamado Partícula de Dios) cuyo campo genera la masa del resto de las partículas, pero que muchos físicos hoy en día consideran incompleto.

Modelo Estándar de las Partículas Elementales

Inflación Cósmica y Big Bang

Incluso estas ideas podrían ayudar a resolver algunos problemas no resueltos de la física, como la actual teoría de la Inflación Cósmica propuesta por Alan Guth en 1981, la cual describe los instantes iniciales de la creación del universo y resuelve el Problema del Horizonte o por qué la temperatura del universo resulta ser tan uniforme (homogenea e isótropa) aunque por otro lado se supone una expansión inicial a velocidades superlumínicas, es decir, que la actual velocidad de la luz en el vacío no habría sido un límite en aquel caso (la radiación térmica se propagó más rápido que la gravedad) la cual es una hipótesis que pronto se espera poder probar en los experimentos del LIGO que buscan detectar las ondas gravitacionales y otros experimentos.

Linea de Tiempo de Nuestro Universo (Inflación Cósmica + Big Bang)

Y quizás también confirmar la teoría alternativa llamada Universo Holográfico, la cual es una idea o Principio propuesto por Gerard Hooft, Leonard Susskind, Juan Maldacena y otros en los años 90, que establece que la información de nuestra realidad 3D está codificada como si fuera un holograma en una superficie 2D en la frontera; lo cual pronto se espera poder comprobar empíricamente.

Para conocer más sobre estas fascinantes teorías físicas y sobre los científicos que actualmente trabajan en ellas recomendamos el siguiente documental titulado Parallel Universes de BBC Horizon (en inglés) que explica todos estos conceptos en un lenguaje sencillo y fácil de entender.

Si las predicciones de estas novedosas teorías físicas pueden comprobarse empíricamente en observaciones cosmológicas como la radiación de fondo de microondas remanente del Big Bang, o en experimentos de laboratorio como los realizados en el Fermilab o los que se esperan realizar en el Large Hadron Collider (LHC) que próximamente entrará en operaciones en el CERN, quizás en verdad, como ha dicho el célebre físico Stephen Hawking, los seres humanos en la tierra pronto llegaremos a conocer "la mente de Dios".

Notas (Documentales en Youtube):

BBC Horizon: Parallel Universes (trailer)

BBC Universe: Multiverse (Discovery Channel)

Transcripción del programa:
http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2001/paralleluni.shtml


Para más información sobre la Física Cuántica en la actualidad continuar en el blog:
Temas de Física Hoy 


1 comentario:

  1. Anónimo12:31 p.m.

    Acabo de ver el documental en youtube. Me ha parecido muy interesante! Me ha gustado como se van encadenando y encajando las teorías, cómo se desechan y se vuelven a utilizar cuando cambia el contexto. Gracias por el link! Esto es de otro tema, pero otro día curiosenado en tu blog me leí "Mensajes espirituales sobre la vida póstuma" y me gustó.

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