THemos dedicado dos programas de EUREKA a las Fronteras de la Física que podéis escuchar pulsando aquí: Fronteras de la Física Parte 1 y Fronteras de la Física Parte 2.
En estos programas tratamos de los grandes retos que tiene la física teórica en la actualidad. Para ello hemos contado con el Profesor Miguel Angel Vázquez Mozo. Debajo podeis leer una introducción que puede servir de complemento al programa.
Fronteras de la Física
En la primera parte del siglo XX se desarrolló una potente teoría llamada Física Cuántica que permitió entender los átomos y los fotones. Esta teoría se fue ampliando dando lugar a la electrodinámica cuántica y la cromodinámica cuántica y finalmente, en los años 60 y principios del 70 del siglo XX, al llamado Modelo Estándar de la Física de Partículas, que junto con la teoría general de la relatividad explicaba la mayoría del mundo físico que conocemos.
El modelo estándar dice que todo lo que observamos está formado por dos clases de partículas: quarks y leptones, y sus correspondientes antipartículas, que interaccionan entre sí por medio de tres tipos de fuerza. Algunas de las partículas del modelo ya se conocían (por ejemplo.: electrones y fotones) y otras se detectaron empleando aceleradores de partículas gigantes. La última partícula que faltaba para completar el modelo estándar era el bosón de Higgs cuya primera detección se realizó en 2012 en el gran colisionador de hadrones o LHC. Supuso un hito pues con el bosón de Higgs quedaba completo el Modelo Estándar.
El modelo estándar es posiblemente la teoría física de más éxito. Se cree que su campo de aplicación se extiende desde el mundo actual hasta unas insignificantes fracciones de segundo desde el Big Bang. Podría parecer que con la detección del boson de Higgs quedaba cerrado el Modelo Estándar y habíamos conseguido el santo Grial de la Física y que en lo fundamental había una teoría que lo explicaba todo. Nada más lejos de la realidad, el modelo estándar conseguía explicar el mundo que habitualmente observamos que es el 5% del Universo, hay casi otro 25% de materia obscura y el resto energía oscura.
Realmente no sabemos qué es ni la materia ni la energía oscura, sabemos su existencia por medidas indirectas. Por ejemplo: Nuestro Sol órbita en torno al centro de nuestra galaxia, la Vía láctea, aparentemente va más rápido de lo que según las leyes de Newton debería ir. La explicación es que la galaxia además de la materia ordinaria debe tener una materia invisible en una cantidad mayor que la materia ordinaria. La presencia de lentes gravitacionales generados por los cúmulos de galaxias, tales como el Cúmulo Bala, indican que aparentemente esta masa existe ¿Pero de que está hecha esa materia oscura? No se puede ver, no interacciona con la materia ordinaria, en fin, es un misterio. Algún modelo alternativo propone que tal vez no exista y que lo que habría que hacer es modificar las leyes de gravitación, pero (al menos por ahora) estos modelos generan más problemas de los que resuelven.
La energía oscura deducimos su existencia pues desde 1998 sabemos que el universo se acelera y la forma más simple de explicarlo en el contexto de la Teoría General de la Relatividad (TGR) es suponer una fuerza repulsiva que llamamos energía oscura.
Algunos físicos esperaban que tras la detección del bosón de Higgs, en 2012, el gran colisionador de hadrones o LHC, detectase partículas supersimétricas que permitiese ampliar el Modelo Estándar. Alguno de estos modelos las partículas supersimétricas servirían para explicar la enigmática materia oscura.
Según el modelo estándar el electrón es una auténtica partícula elemental pero los neutrones y protones están constituidos cada uno por tres quarks. Las partículas se mantienen unidas por fuerzas. Se supones que existen tres tipos de fuerza: electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. A ellas se une otra extraña fuerza: la gravedad, mucho menos intensa que las anteriores. Piense que un simple imán de pocos gramos posee una fuerza atractiva, aunque de distinta naturaleza, superior a la que ejerce la gravedad de toda la Tierra. ¿Por qué esta enorme diferencia entre la fuerza electromagnética y la fuerza de gravedad? Nadie lo sabe.
La cuestión se complica cuando estamos en campos gravitatorios muy intensos y entonces hay que utilizar simultáneamente la TGR y el Modelo Estándar (física cuántica) pero nadie sabe como combinarlas. A ello se une la hipotética existencia de materia oscura y la energía oscura, a las que nos hemos referido, y otro hecho no menos sorprendente: las partículas elementales y las constantes de la naturaleza, como es la velocidad de la luz o la constante de gravitación universal, parecen estar ajustadas de tal forma que si variasen ligeramente de valor el universo tal cual lo conocemos dejaría de existir. Los Físicos buscan con ahínco una teoría que sea capaz de explicar todos estos fenómenos.
El sueño de la física actual es encontrar una teoría que permita explicar las propias partículas elementales y unifique las cuatro fuerzas en una sola. El modelo en el que más trabajan los físicos teóricos es la llamada Teoría de Supercuerdas (realmente son varias aunque parecen ser equivalentes) que pretende unificar las dos grandes teorías actuales: la física cuántica y la teoría general de la relatividad.
La Teoría de Supercuerdas es realmente extraña pues presupone que además del tiempo y las tres dimensiones espaciales que conocemos existen otras seis dimensiones espaciales que no percibimos pues están enrolladas a niveles microscópicos, muy por debajo de nuestra capacidad de observación. Según esta teoría todas las partículas serian manifestaciones de cuerdas minúsculas que vibran. Las cuerdas pueden ser de dos tipos: abiertas o cerradas. Las abiertas finalizarían en membranas o branas. Según algunas de las interpretaciones de la Teoría de Supercuerdas nuestro universo seria uno más de los múltiples universos que existen y vivimos justo en el que las constantes que el modelo permite deducir toma unos valores compatibles con la vida (Principio Antrópico Fuerte). Con propiedad no es una auténtica teoría pues no hay un experimento u observación de algún fenómeno natural que permita verificarla pues se requieren energías enormes, muy lejos de nuestras capacidades, condiciones que tal vez se dieron solo en el propio Big Bang donde según la Teoría de Supecuerdas había una única fuerza que al enfriarse el universo se produjo un fenómeno llamado ruptura de simetrías donde se originaron las cuatro fuerzas que conocemos. Quizás algún genial físico encuentre un fenómeno astronómico que solo pueda ser explicado por la teoría de supercuerdas.
La Teoría de Supercuerdas no es la única candidata a teoría unificada, otros físicos sostienen que el camino de supercuerdas es una vía errónea y buscan otros enfoques como es la teoría cuántica de bucles. En fin, es un mundo extraordinariamente extraño pero fascinante pero así es la “mente de dios”.
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