Como humanos, siempre hemos ‘sentido el llamado’ por los tiempos y lugares lejanos. Desde que nos dimos cuenta acerca de qué eran las estrellas, nos hemos preguntado si seremos capaces de viajar hacia ellas. Tales pensamientos han proporcionado un campo fértil por años a los escritores de ciencia ficción buscando argumentos interesantes. Pero las vastas distancias que separan a los objetos astronómicos forzaron a los autores a inventar varios dispositivos imaginarios que les pudieran permitir a sus personajes viajar a velocidades superiores a las de la luz (La velocidad de la luz en el espacio vacío, generalmente denotada como c por los físicos, es de casi 300000 km/s). Para darnos una idea de cuan enormes son las distancias entre las estrellas, comencemos con unos cuantos datos. La estrella más cercana, Proxima Centauri (En el sistema estelar Alpha Centauri) esta a aproximadamente 4 años-luz de distancia. Un año-luz es la distancia que recorre la luz en un año (9,460728 × 10¹² Km aproximadamente), por lo tanto, esta estrella esta a 3,7842912 × 10¹³ Km, luego entonces, a un haz de luz o un mensaje de radio viajando a c les tomaría alrededor de 4 años el llegar allí.

En una escala mayor, la longitud de nuestra Vía Láctea es de aproximadamente 100000 años luz. La galaxia más cercana, Andrómeda, está a casi 2 millones de años-luz. Con la tecnología actual, tomaría varias decenas de miles de años enviar una sonda, viajando a una velocidad mucho menor que la de c para llegar a la estrella más cercana. No es de sorprender entonces que los escritores de ciencia ficción hayan imaginado algún tipo de ‘atajo’ entre las estrellas que involucre el viajar más rápido que la luz. De otra manera es muy difícil de ver como es que se tienen las diferentes ‘federaciones’ o ‘Imperios galácticos’ tan prominentes en la ciencia ficción. Sin los ‘atajos’, el Universo es un gran lugar.

¿Y qué podemos decir acerca del tiempo, la característica más misteriosa del Universo? ¿Por qué el pasado es tan diferente al futuro? ¿Por qué podemos recordar el pasado y no el futuro? ¿Es posible que el pasado y el futuro sean ‘lugares’ que podamos visitar tal como otras regiones en el espacio? De ser así ¿Cómo podemos hacerlo?

La idea de viajar a velocidades superiores a las de la luz ha existido desde hace mucho tiempo en la imaginación popular. Lo que quizá no es tan conocido es que existen algunos físicos que estudian estos conceptos de manera muy formal no solo como un “Podría ser posible algún día” sino como un “¿Qué podemos aprender de estos estudios acerca de la física básica?”.

La ciencia ficción de la televisión y las películas, por ejemplo, como Star Trek, contienen muchos ejemplos ficticios de viajes a velocidades superiores a las de la luz. El Capitán Kirk o Picard le dan una orden al timonel del Enterprise más o menos así: “Vámonos, a Warp 2”. Nunca mencionan exactamente que es lo que significa, pero claramente entendemos que se refiere a viajar a una velocidad superior a la de la luz. Algunos fans especulan que se refiere a una velocidad 2²c, esto es, cuatro veces la velocidad de la luz. Se suponen que alcanzan esta velocidad haciendo uso del “Warp Drive” del Enterprise. Este término nunca se explicó y luce como un buen ejemplo del “Tecnoparloteo” usualmente necesario en una pieza de ciencia ficción para que suene ‘científico’. Pero por casualidad (O buena idea) el “Warp Drive” puede ser la descripción adecuada de un mecanismo concebible para viajar a una velocidad superior a la de la luz (Creo que sería un buen tema para otra entrada, lo dejaré en el tintero).

Por analogía con el término “Supersónico” para la velocidad que supera a la del sonido en el aire, la velocidad que supera a la de la luz es referida comúnmente por los físicos como “Velocidad superlumínica”. Sin embargo, un viaje superlumínico incluye una violación a las leyes conocidas de la física, de hecho a la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein. Esta teoría se fundamenta en la existencia de una ‘barrera de luz’. La terminología tiene la intención de ser reminiscente de la barrera del sonido encontrada por vehículos aéreos cuando sus velocidades alcanzan la del sonido y algunos, en ocasiones, pensar que debe prevenir el vuelo supersónico. Pero mientras que se logró superar la barrera del sonido sin violar ninguna ley física, la relatividad especial da a entender que, un ‘warp drive’ está absolutamente prohibido, sin importar cuan poderosos lleguen a ser los motores del futuro.

Los viajes en el tiempo abundan en la ciencia ficción. Por ejemplo, los personajes en una historia pueden encontrar por sí mismos la manera de regresar a su periodo de tiempo original y estar involucrados con la NASA en un lanzamiento espacial, quizás después de pasar a través de un “Portal del tiempo”. Con frecuencia en la ciencia ficción, el que suceda el viaje en el tiempo hacia el pasado no tiene nada que ver con la existencia de un ‘warp drive’, tal como lo necesitan las naves espaciales, los fenómenos del viaje superlumínico y el viaje por el tiempo lucen bastante lejanos o ajenos. De hecho, podemos ver que hay una conexión directa entre ambos.

Los escritores de ciencia ficción frecuentemente proporcionan respuestas imaginativas a cuestiones que inician con la palabra “¿Qué?” (¿Qué desarrollos tecnológicos habrá en el futuro?), pero por lo general, no proporcionan respuestas a las cuestiones del “¿Cómo?”, intentando extender nuestro conocimiento de las leyes de la naturaleza y aplicar este conocimiento creativamente en nuevas situaciones.

El hecho es que la ciencia, a su debido tiempo, frecuentemente proporciona las respuestas a algunas tecnologías avanzadas imaginadas en la ciencia ficción, que puede ser alcanzada o que se manifieste la expectativa de que se va a producir. Pero esto no es necesariamente un axioma. Las leyes físicas frecuentemente afirman que ciertos fenómenos físicos están absolutamente prohibidos. Por ejemplo, hasta donde sabemos, no importa que ocurra, la cantidad total de energía (De todos los tipos) en el Universo no cambia. Esto es, la energía se conserva, tal como lo hemos escuchado en nuestras clases básicas de ciencia (Secundaria, Bachillerato, Universidad, etc.).

Aunque los trabajos de ciencia ficción usualmente no se basan en la pregunta “¿Cómo?”, frecuentemente le sirven a la ciencia a través de sus exploraciones del “¿Qué?”. Previendo los fenómenos concebibles fuera de nuestra experiencia cotidiana, pueden ofrecer ciertas vías de experimentación. Un escritor de ciencia ficción está en la libertad de imaginar un mundo en el cual los humanos han aprendido a ‘crear’ energía en cantidades ilimitadas por medio de algún dispositivo imaginario. Sin embargo, un físico dirá que, en concordancia con las bien establecidas leyes físicas, esto no será posible, no importa cuan inteligentes o astutos sean los futuro científicos e ingenieros. En otras palabras, en ocasiones la respuesta a la pregunta “¿Cómo es que construyeron esa cosa?” sea “Probablemente, no pudieron”. Nosotros debemos estar preparados para la posibilidad de que nos encontremos en esas situaciones.

A menos que se especifique lo contrario, el término “Viaje en el tiempo” normalmente significa viaje al pasado, el cual es el que presenta problemas más interesantes. Bueno, de aquí en adelante me referiré a un dispositivo que pueda permitir este viaje como una ‘Máquina del Tiempo’ y al proceso de desarrollar la capacidad de viajar de regreso como ‘Construyendo una máquina del tiempo’. Esto implica la posibilidad de que puedas viajar hacia el pasado y conocer una versión más joven de ti mismo. En la jerga de la física, un camino circular como este se denomina ‘curva cerrada temporal; es cerrada porque tú puedes regresar a tu punto de partida en ambos, espacio y tiempo; es temporal porque el tiempo cambia de un punto a otro a través de la curva. La declaración de que una curva cerrada temporal exista es solo una forma arbitraria de decir que tienes una máquina del tiempo.

Tal parece que el viaje al pasado luce imposible fuera del mundo de la ciencia ficción simplemente basándose en el sentido común ordinario dadas las paradojas a las cuales te puede conducir. Están tipificadas por la comúnmente llamada “Paradoja del abuelo”. De acuerdo con este escenario, donde es posible viajar al pasado, un viajero en el tiempo podría en principio, asesinar a su abuelo antes de que preñara a su abuela de su madre. En este caso, el nunca nacería, por lo que no habría hecho el viaje al pasado para asesinar a su abuelo, entrando en un ciclo sin fin. En resumen, la entrada del nieto a la máquina del tiempo, impide su entrada en la máquina. Tal situación paradójica que involucran contradicciones lógicas, son llamados “Bucles causales inconsistentes”. Las leyes de la física permiten que uno prediga que, en una situación dada, un cierto evento puede o no ocurrir. Por lo tanto, esos bucles pueden ser no permitidos.

Por algún tiempo, se creía que los warp drives y las máquinas del tiempo serían confinados al reino de la ciencia ficción dada la barrera lumínica relativista y las paradojas involucradas en el viaje en el tiempo al pasado. En las últimas décadas, la posibilidad del viaje superlumínico y el viaje al pasado se han considerado como una posibilidad real, al menos en principio, convirtiéndose en una materia de discusión seria entre los físicos. Mucho de esto es debido al artículo titulado “Wormholes, Time Machines en the Weak Energy Condition”, por tres físicos del California Institute of Technology: MS Morris, KS Thorne y U Yurtsever. Su artículo fue publicado en 1988 en el prestigioso Physical Review Letters. KS Thorne es uno de los más famosos y principales expertos en la Teoría General de la Relatividad y en la Teoría de la Gravedad de Einstein. El descubrimiento de esta última teoría siguió a la relatividad especial por casi una década. La relatividad general ofrece rendijas potenciales que podrían permitir que una civilización lo suficientemente avanzada encontrara una forma de evitar la barrera lumínica.

En cuanto en viajes hacia el futuro se refiere, es bien entendido por los físicos (Y así lo ha sido por más o menos un siglo) que no es posible. El viajar en el tiempo hacia el futuro implica un reto mayor que el paso normal del día a día. Viajar hacia el futuro es, de hecho, directamente relevante para la física observable ya que se considera que puede ocurrir con las partículas subatómicas en los aceleradores de alta energía, tales como el Fermi National Laboratory o el Large Hadron Collider (LHC), donde dichas partículas alcanzan velocidades muy cercanas a las de la luz (Enviar grandes cantidades de materia tales como personas o naves espaciales, a una distancia significativa al futuro, lo cual es posible en principio, requiere una cantidad tal de energía que la convierte en algo prohibido en la actualidad).

El descubrimiento de la Relatividad Especial es uno de los más grandes logros intelectuales en la historia de la física, y sin embargo, esta teoría solo involucra ideas simples y matemáticas no más avanzadas que el álgebra del bachillerato. Otra vez, sin embargo, otra vez, para entender que está pasando debes estirar tu pensamiento más allá de lo que observas en la vida diaria. La relatividad especial describe el comportamiento de objetos cuando sus velocidades se acercan a la velocidad de la luz. Como podemos observar, la relatividad especial no deja lugar a dudas sobre que el viaje al futuro es posible. Una de las predicciones más llamativas de la relatividad especial es que un reloj parece moverse más lentamente cuando está en movimiento relativo a un observador estacionario, un efecto llamado “dilatación del tiempo”. Este se vuelve significativo cuando la velocidad del reloj se acerca a c. La dilatación del tiempo esta estrechamente relacionada con la conocida “paradoja de los gemelos”. Es esencialmente el mismo fenómeno responsable del ‘viaje en el tiempo hacia el futuro’ que parece ocurrir para las partículas elementales en el Fermilab y el LHC.

A primera vista, el viaje a una velocidad superior a la de la luz podría verse como una extensión natural de un viaje ordinario a velocidad sub-luz, solo requiriendo el desarrollo de motores más poderosos, simple ¿No?. El viaje espacial en las historias de ciencia ficción de las décadas de 1930 y 1940, no involucraban violaciones de las leyes fundamentales de la física. La especulación de la ciencia ficción comenzó a realizarse en la práctica cerca de un cuarto de siglo después, cuando Neil Armstrong realizó su famoso “pequeño paso” en la superficie lunar. Sin embargo, los viajes superlumínicos involucran una violación de las leyes físicas conocidas, en este caso, la teoría general de la relatividad, con su barrera lumínica.

En ausencia de una máquina del tiempo, las observaciones diarias nos dicen que las leyes de la física son tales que los efectos siempre siguen causas en el tiempo. En consecuencia, el efecto no puede regresarse y prevenir la causa, y no pueden ocurrir bucles causales. Esto no sería cierto si existiese una máquina del tiempo, dado que un viajero en el tiempo puede observar el efecto y entonces viajar para bloquear la causa. Por lo tanto, podría parecer que la existencia de máquinas del tiempo (Esto es, para viajar al pasado) está prohibida, solo por sentido común. Por otra parte, vemos que en la relatividad especial, el viaje en el tiempo al pasado está estrechamente conectado al viaje superlumínico, así que las mismas objeciones de ‘sentido común’ se presenten para la posible construcción de un warp drive, además del ya citado problema de la barrera lumínica.

La teoría de la gravedad de Einstein, introduce un nuevo ingrediente a la mezcla. Combina espacio y tiempo en una estructura común denominada “Espacio-Tiempo”. El espacio y el tiempo pueden ser dinámicos (El espacio-tiempo tiene una estructura que se puede curvar y deformar). Einsten demostró que la deformación de la geometría del espacio y el tiempo es debida a la materia y la energía es responsable de lo que nosotros percibimos como gravedad. Una consecuencia de esto podrían ser los agujeros negros, los cuales se cree son el destino final de las estrellas más masivas. Cuando una de estas estrellas ‘muere’, implosiona en sí misma hasta un punto donde la luz emitida por la estrella es atraída de regreso, convirtiendo al objeto ‘invisible’.

Como podemos ver, las leyes de la relatividad general al menos sugieren que es posible curvar o deformar el espacio de manera tal, que podamos crear un atajo a través del espacio, y quizás, del tiempo, lo cual es conocido por los físicos relativistas como “agujeros de gusano (Wormholes)”. Los agujeros negros son uno de las referencias más comunes en las historias de ciencia ficción (Por ejemplo, Star Trek Deep Space Nine, Farscape, Stargate SG1, Sliders y un largo etcétera). Varios años antes del artículo de Morris, Thorne y Yurtsever, la posibilidad de una construcción real de un warp drive fue presentada en 1994 por Miguel Alcubierre (Ciudad de México, 1964), en ese entonces, en la University of Cardiff, Escocia, el cual fue publicado en Classical and Quantum Gravity. Haciendo uso de la relatividad general, Alcubierre expuso una manera en la cual el espacio-tiempo vacío podría curvarse o deformarse, similar a contener una burbuja en una alta velocidad arbitraria, visto desde la parte externa de la burbuja. Si podemos encontrar una forma de encerrar una nave espacial en esta burbuja, se podría mover a velocidad superlumínica, por ejemplo, vista desde un planeta exterior a la burbuja, así, alcanzaría una comprensión actual de un warp drive. Otro tipo de warp drive fue sugerido por Serguei Krasnikov en el Central Astronomical Observatory en St. Petesburg, Rusia, en 1997. Este “Tubo Krasnikov” es efectivamente un tubo de espacio-tiempo distorsionado que conecta a la Tierra con, digamos, una estrella distante.

¿Qué sabemos acerca de la posibilidad de crear un agujero de gusano o una burbuja como la ya mencionada? Veamos, aunque no sin esperanza, los prospectos no lucen prometedores. Una desventaja que todos comparten es que se requiere una forma inusual de materia y energía denominada “Materia Exótica” o “Energía Negativa” (Desde la famosa relación entre masa y energía de Einstein E=mc², normalmente se utilizan los términos “masa” y “energía” intercambiablemente). Un teorema de Stephen Hawking muestra que (Expresándolo libremente), si quieres construir una máquina del tiempo en una región finita del tiempo y el espacio, se requiere la presencia de una materia exótica. Como resultado, las leyes físicas de hecho permiten la existencia de la materia exótica o la energía negativa. Sin embargo, esas mismas leyes también parecen establecer severas restricciones sobre que puedes hacer con eso.

Uno podría pensar que las paradojas potenciales, tales como la del abuelo, hacen que carezca de sentido siquiera considerar la posibilidad de viajar hacia el pasado. Sin embargo, hay dos enfoques generales que podrían permitir que las leyes de la física se mantengan consistentes aún si el viaje en el tiempo fuera posible. La primera posibilidad es que las leyes de la física permitan que independientemente de la manera en que quieras eliminar a tu abuelo, algo pasará para evitarlo, por ejemplo, te resbalaras en una cáscara de plátano. Esta teoría es consistente, sin embargo, poco atractiva, dado que es difícil de entender como las leyes de la física podrían realizar los arreglos para asegurar la presencia de dicha cáscara. El otro enfoque hace uso de la idea de mundos paralelos. De acuerdo a esta idea, hay al menos dos mundos diferentes, uno en el que naciste e ingresaste a la máquina del tiempo y en el otro saliste de la máquina del tiempo y asesinaste a tu abuelo. No hay contradicción lógica en el hecho de que tú, de manera simultánea mataste y no mataste a tu abuelo, dado que estos eventos sucedieron en diferentes mundos. Sorprendentemente aquí hay una idea respetable en física denominada la “Interpretación de los muchos mundos de la mecánica cuántica”, presentada por primera vez en Reviews of Modern Physics en 1957 por Hugh Everett, de acuerdo a ello, no solo hay dos mundos paralelos, sino una infinidad de Tierras (Saludos a Compuerta 12), multiplicándose continuamente.

En un artículo publicado en 1991 en Physical Review, David Deutsch, de la Oxford University apunto que si la interpretación de muchos mundos es correcta, es posible que un asesino potencial viaje al pasado, podría descubrir que arribó a un ‘mundo diferente’ y que no hay tal paradoja que lo lleve a cometer el atroz crimen. Si esta interpretación es correcta, podría de hecho, eliminarse la paradoja problema.

Otro conjunto de situaciones en los cuales el viaje al pasado puede ocurrir involucra la presencia de uno de los varios tipos de sistemas cilíndricos de tipo cadena e infinitamente largos. En cada uno de estos casos es posible, corriendo en la dirección adecuada alrededor de un camino circular acercarse al objeto en cuestión, para regresar a tu punto de partida en el espacio antes de que tú lo dejaras. Un modelo de este tipo de cilindro rotatorio fue realizado por el profesor Ronald Mallet de la University of Connecticut, este modelo ha recibido una atención considerable en varios lugares, incluyendo libros de física y en el libro Time Traveler (2006), escrito por el propio Mallet. El profesor sugiere que un cilindro de luz laser transportado quizás por una configuración helicoidal de tuberías de luz podría utilizarse como la base para una máquina del tiempo. Dos artículos publicados por Ken Olum de Tufts University, muestran que el modelo de Mallet tiene serios defectos.

Finalmente, ¿Qué tan confiables son nuestras conclusiones dado el conocimiento actual? ¿Cómo podemos predecir que tecnología habrá en el siglo XXIII basándonos en las leyes físicas conocidas del siglo XXI? ¿Podrán las teorías futuras revertir estas ideas como ha sucedido con frecuencia en la historia de la ciencia? Los invito a tratar de contestar estas tres preguntas. Larga vida y prosperidad.

Referencias

Relative State Formulation of Quantum Theory – Hugh Everett.

Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition – Morris, Thorne & Yurtsever

Quantum mechanics near closed timelike lines – David Deutsch

Cosmic Strings and Chronology Protection – James D.E. Grant

Hawking’s chronology protection conjecture – Matt Visser

The warp drive:  hyper-fast travel within general relativity – Miguel Alcubierre

Hyperfast Interstellar Travel in General Relativity – Krasnikov

Can a circulating light beam produce a time machine? – Olum & Everett

Chronology Protection in String Theory – Joao˜ Penedone

The Origin of the Everettian Heresy – Osnaghi et al.

Closed Timelike Curves in Asymetrically Warped Brane Universes – Päs et al.

How to build a Time Machine – Stephen Hawking

Warp Drive Basic Science Written for “Aficionados”. Chapter 1 – Miguel Alcubierre

Causality-Violating Higgs Singlets at the LHC – Ho & Weiler

Time Traveler: The Memoir of Ronald L. Mallett – Website

cheap Innopran Xl

En la Terascala, dos de las principales fuerzas de la naturaleza, la fuerza nuclear débil y la electromagnética, parecen unirse para ser una entidad individual. El cómo pasa esto exactamente, es un misterio aún. Hay una propuesta dentro de la estructura del Modelo Estándar, pero nunca ha sido evaluada y plantea cuestiones teóricas desconcertantes. El entender cómo es que estas dos fuerzas están unificadas, se cree que es una parte importante para entender la unificación general de las fuerzas de las partículas, quizá incluyendo la gravedad, de acuerdo con el sueño estético de Einstein de unificar todas las leyes de la naturaleza. (Ver El Sueño de Einstein).

El cómo es que estas dos fuerzas están unificadas es una cuestión que solo puede responderse con aceleradores. Por ejemplo, no es posible realizar estas medidas utilizando rayos cósmicos, porque la energía más alta de los rayos cósmicos es también poca y no es posible estudiarlos con la precisión suficiente.

Los científicos buscan en todas partes la explicación más simple posible al fenómeno que están estudiando y que pueda sobrevivir al escrutinio científico. En la física, el desarrollo de una estructura coherente científica única que pueda explicar la naturaleza de la materia, su masa, su evolución y las fuerzas asociadas, ha inspirado el trabajo y sueños de generaciones de físicos. Además, la unificación científica de los aparentemente diversos fenómenos frecuentemente genera grandes dividendos intelectuales, como ocurrió con la unificación de la electricidad y el magnetismo en el siglo diecinueve. El siguiente paso importante en este programa de unificación requiere la investigación directa de la Teraescala.

Los experimentos y teorías pasadas nos indican que los nuevos fenómenos esperan descubrimientos en este rango de energía. Se podría observar un mundo de nuevas partículas predichas por una hipótesis conocida como supersimetría, y esas nuevas partículas podrían proporcionar información esencial acerca de las partículas ya conocidas. Las partículas que constituyen la materia oscura responsable de la formación de las galaxias podrían aparecer en esa energía. La Teraescala podría ser la entrada a nuevas entradas del espacio, más allá de esas que experimentamos directamente pero que sin embargo, pueden tener un impacto importante en nuestro mundo. Los nuevos fenómenos que aparezcan en la Teraescala podrían incluir partículas como el boson de Higgs, el cual es responsable de la masa de las partículas conocidas. O, esos nuevos fenómenos podrían tomar una forma completamente diferente, incluyendo fenómenos que son completamente inesperados e inimaginables. Todas esas posibilidades pueden ser mejor exploradas en los aceleradores.

La exploración de la física en la Teraescala es el siguiente paso esencial para direccionar lo retos científicos en la física de partículas. La física de partículas parece estar en el borde de uno de los periodos más emocionantes de su historia.

El Modelo Estándar proporciona una excelente y cuidadosamente probada descripción del mundo subatómico a los niveles de energía que actualmente pueden ser estudiados en los laboratorios. Sin embargo, en esos niveles de energía los cuales los físicos solo pueden acceder de forma experimental, el Modelo Estándar es incompleto. Esto sugiere que los nuevos descubrimientos que se vislumbren en los años por venir, especialmente por el LHC comiencen a explorar esta región de la energía. Esto también sugiere que esos inminentes descubrimientos podrían transformar nuestro entendimiento del origen de la materia y energía, y el comportamiento de la evolución del Universo.

Las limitaciones del Modelo Estándar son evidentes, por ejemplo, cuando tratamos de contar con la Fuerza de Gravedad. El Modelo Estándar incorpora las fuerzas nucleares fuerte y débil, así como el electromagnetismo, pero, cuando los físicos intentan incluir a la gravedad como una cuarta fuerza, encuentran varias inconsistencias matemáticas. En consecuencia, dos pilares de la física del siglo veinte (La gravedad, tal como la describió Einstein en su Teoría General de la Relatividad y la mecánica cuántica) requieren nuevas estructuras teóricas que las incluyan.

Los descubrimientos astronómicos poseen otros retos al Modelo Estándar. Las observaciones astronómicas muestran que los protones, neutrones, electrones y fotones (Los cuales cuentan para todo con lo que estamos familiarizados) representan menos del 4% de la masa total de la masa y energía del Universo. Aproximadamente el 20% consiste de alguna forma de materia oscura: Partículas masivas o aglomeraciones de partículas que no brillan y no dispersan o absorben luz. Los astrónomos pueden detectar materia oscura observando cómo ésta distorsiona las imágenes de galaxias distantes, un efecto conocido como lente gravitatorio, y entonces pueden trazar un mapa de la distribución de la materia oscura a lo largo del espacio. La composición de materia oscura aún no se conoce; esta podría consistir de una nube de partículas elementales con algún orden desconocido aunque hay otras posibilidades. Sin embargo, debemos nuestra existencia a la materia oscura. Sin la atracción adicional de la materia oscura, las estrellas y las galaxias, probablemente no se hubieran formado, debido a que la expansión del Universo, habría dispersado la materia ordinaria rápidamente.

Más sorprendente es el hecho de que la mayoría de la energía del Universo actual consiste de algo totalmente distinto (Una efímera materia oscura que se repele a sí misma). Un grupo de materia ordinaria o materia oscura tiene una fuerza gravitatoria de atracción que ralentiza la expansión del Universo, pero la energía oscura ‘empuja’ para separarlo y así acelerar la expansión del cosmos. Dado que la mayoría de la energía del Universo es oscura, la expansión del Universo, se está acelerando. En consecuencia, la materia oscura interpreta un papel crucial en el pasado causando la formación de galaxias, y el de la energía oscura en la continua evolución del Universo. ¿Qué son la energía y materia oscura y como es que encajan en el entendimiento completo de la materia, energía, espacio y tiempo? Esa es una de las cuestiones científicas más irresistibles de nuestro tiempo.

El predominio de la materia sobre la antimateria en el Universo también proporciona problemas al Modelo Estándar. En 1928, la incorporación de Dirac de la Teoría de la Relatividad General de Einstein en la mecánica cuántica sugiere que, por cada tipo de partícula elemental, hay una antipartícula con la misma masa y carga contraria. Cuando una partícula y su antipartícula se reúnen, ambas se aniquilan y su masa se convierte en energía radiante. Los experimentos utilizando antimateria en laboratorios de física de alta energía muestran que las fuerzas fundamentales actúan casi igual en partículas que en antipartículas excepto por pequeñas diferencias que pueden explicarse utilizando el Modelo Estándar. Sin embargo, el Modelo Estándar no puede explicar porque el Universo consiste casi por completo de materia y casi no de antimateria. Esta asimetría es buena, dado que si tuviera cantidades similares, todo se habría aniquilado en el Universo primigenio. Sin embargo, la causa de este gran desequilibrio sigue siendo un misterio. Muchos físicos creen que fue creado por procesos físicos que ocurrieron cuando el Universo se fue enfriando después del Big Bang. Podría ser posible estudiar algunos de los mismos procesos físicos por medio de la colisión de partículas elementales en altas energías en los aceleradores.

Otra cuestión sobresaliente involucra la evolución temprana del Universo. La mayoría de los cosmólogos cree que las estructuras de gran escala del Universo fueron creadas por un ‘estallido’ que derivó en una inflación, un breve periodo de hiperacelerada expansión durante los primeros 10^-30 segundos después del Big Bang, quizás asociado con interacciones que involucran energía oscura. Esta inflación podría haber suavizado rápidamente la distribución de materia y energía, excepto por excepto por ‘pequeños grumos’ que posteriormente serían las semillas para la formación de galaxias. Observaciones recientes de la radiación cósmica de fondo ha proporcionado pruebas que corroboran exquisitamente precisa esta idea de la inflación, pero permanece un componente clave perdido, la explicación sobre qué fue lo que condujo esa hiper-expansión. El Modelo Estándar no proporciona una respuesta, pero las nuevas leyes físicas descubiertas utilizando los aceleradores de alta energía de última generación podrían proporcionar pistas esenciales.

Las nuevas evidencias acerca de las propiedades de los neutrinos también plantean nuevas cuestiones. Los neutrinos son numerosos en extremo pero rara vez interactúan con los constituyentes básicos de la materia (Billones de billones de neutrinos pasan inalterados a través de nosotros cada segundo, literalmente).Una serie de experimentos ha demostrado que los neutrinos, quienes largamente se consideraron sin masa, si poseen una muy pequeña (Aproximadamente 1/200,000 de la masa del electrón, quien de hecho, tiene una masa extremadamente pequeña. Por otra parte, los neutrinos producidos en la naturaleza no están aparentemente en un estado de masa concreto. Este fenómeno, el cual podría desconcertar a un físico clásico, es un efecto típico de la mecánica cuántica. Esto tiene una consecuencia peculiar: Los neutrinos pueden cambiar espontáneamente de una forma a otra, efecto conocido como “Oscilaciones de neutrinos”. Las masas de los neutrinos no se ajustan al Modelo Estándar, así que estas nuevas observaciones han necesitado la primera mayor ampliación del Modelo Estándar en tres décadas. Exactamente que extensiones se requieren es algo que no sabremos hasta que se completen los experimentos de neutrinos actualmente en operación, así como la siguiente generación de experimentos que ahora se están planeando o iniciando.

Así, prácticamente al inicio del siglo veintiuno, los experimentos de física de partículas, observaciones astronómicas, y desarrollo teóricos tanto en la física de partículas como en la cosmología, apuntan a nuevos fenómenos que están justo en el borde de ser observados La combinación de la teoría cuántica y la relatividad general, y el entendimiento de la materia y energía oscuras, requerirán nuevas ideas y nuevos experimentos. La tecnología necesaria para conducir esos experimentos está ahora disponible. Como resultado, la física de partículas está lista en la orilla de una nueva revolución científica tan profunda como la que Einstein y otros la marcaron a principios del siglo veinte. Hay muchas posibilidades de que estos descubrimientos Teraescalares tengan un impacto igualmente importante en otros campos de la ciencia.

Antibiotics

Después de que Albert Einstein publicó su Teoría General de la Relatividad en 1916, el dedicó mucho de su trabajo científico a un problema que lo consumió hasta el final de su vida, acaecido en 1955: La unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.  El sueño de Einstein era desarrollar una Teoría de Campo Unificado que pudiera describir en un simple conjunto de ecuaciones todas las aparentemente distintas fuerzas que actúan sobre las partículas. A pesar de que trabajó en esto hasta el día que murió, nunca lo resolvió.

En la actualidad, los físicos no han alcanzado aún el tener una teoría que unifique las fuerzas fundamentales. Pero nuevas ideas teóricas y resultados experimentales han resultado en hipótesis prometedoras. El descubrimiento de fenómenos desconocidos para Einstein, como los quarks, la materia y energía oscuras, significa que los físicos podrían estar en el camino de realizar el objetivo de Einstein. La siguiente generación de instalaciones experimentales podría traer ese sueño a la realidad.

Referencias:

Einstein’s Unified Field Theory

M. A. Tonnelat

En el 2005, el mundo celebró el año internacional de la física. En parte, esta celebración conmemoró el centenario de lo que fue conocido como el ‘milagroso año’ de Albert Einstein, 1905, cuando publicó cuatro publicaciones innovadoras que fueron una parte clave en la fundación de la física moderna. También honró descubrimientos trascendentales en la física del siglo pasado, incluyendo el desarrollo de la mecánica cuántica y el exitoso análisis de lo que se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas elementales (Avances que nos han llevado a nuevos entendimientos de la naturaleza y a tecnologías que han influido profundamente en nuestras vidas).

En las ciencias en general, el intervalo comprendido entre 1905 y 2005 podría ser considerado (Eventualmente) como el ‘siglo milagroso’. El gran entendimiento de los constituyentes y propiedades de los materiales resulto en una serie sin precedentes de nuevos productos y procesos industriales. El descubrimiento de la estructura y función del ADN profundizó nuestro entendimiento de la herencia genética y desarrollo humano, además, le otorgó a los investigadores la capacidad de alterar el material genético de los organismos vivos. El descubrimiento de la tectónica de placas contribuyó a tener una nueva visión de la Tierra, como un sistema integrado física y biológicamente en el cual los seres humanos estamos desempeñando un papel creciente. En breve, los avances a lo largo de las ciencias durante el siglo veinte revelaron muchos secretos de la naturaleza y cambio radicalmente nuestra forma de ver el mundo.

En física particularmente, fueron avances sin precedentes. Una de las mencionadas publicaciones de Einstein describe la Teoría especial de la relatividad, la cual explicó que los objetos masivos en movimiento que se acercan a la velocidad de la luz, ralentizan el tiempo y los objetos tienden a aplanarse. En 1916, Einstein publicó su Teoría general de la relatividad, mostrando que la masa curva la estructura del espacio y el tiempo, que al acelerar los objetos, estos emiten ondas gravitatorias y que el tiempo se ralentiza en un campo gravitatorio. En las décadas de 1920 y 1930, los físicos desarrollaron un conjunto de ideas conocidas como mecánica cuántica para explicar el comportamiento del mundo subatómico; esas revelaciones fundamentales contribuyeron a algunos de las más importantes tecnologías del siglo veinte, incluyendo los semiconductores que han hecho posible la proliferación de los dispositivos electrónicos modernos. También, en este mismo periodo de tiempo, los astrónomos obtuvieron evidencia que indica que el Universo está en expansión, lo cual sugiere que toda la materia fue creada en un evento conocido como el ‘Big Bang’ (Gran Explosión), el cual tomó lugar hace más de trece mil millones de años. Los estudios de los materiales revelaron nuevos fenómenos como la superconductividad, la fisión nuclear y la emisión coherente de luz (La cual llevó al desarrollo del láser). Estas asombrosas revelaciones en la naturaleza del mundo físico crearon nuevos campos en la física (Tales como la física nuclear, la física de materia condensada y la física de partículas), generó conocimiento que encontró aplicaciones a lo largo de las ciencias y la tecnología y creó una base para el entendimiento que ayudó a ‘reconstruir’ nuestro mundo.

 El campo de la física de partículas elementales (O simplemente, física de partículas, el cual es el término utilizado con más frecuencia) tomó forma en la primera mitad del siglo veinte cuando los físicos comenzaron a estudiar los constituyentes fundamentales de la materia y sus interacciones. Tanto la teoría como la experimentación han sido críticos para los avances de este campo. Por ejemplo, a principios del siglo veinte, ciertos experimentos desconcertantes encausaron a los físicos en la búsqueda de nuevas explicaciones de las leyes de la naturaleza. Esta búsqueda llevó a Einstein a desarrollar nuevas y asombrosas teorías del espacio, el tiempo y la gravedad, así como al igualmente revolucionario desarrollo de la mecánica cuántica por físicos como Max Planck, Niels Böhr, Werner Heisenberg, Max Born y Erwin Schrödinger. La segunda mitad del siglo pasado fue testigo de un florecimiento de la física de partículas, con experimentos que evaluaron esas hipótesis e inspiraron nuevas. Muchos de esos experimentos involucraron aceleradores de partículas, los cuales convierten materia en energía y viceversa, tal como lo describe la ecuación de Einstein E=mc². En las décadas recientes, los experimentos de los aceleradores han proporcionado un enorme compromiso que involucra a miles de científicos e ingenieros, además de contribuciones financieras de diversos países alrededor del mundo. Además, una gama mucho más pequeña y menos cara, (Pero altamente valiosa) de experimentos ha medido las propiedades especiales de las partículas y sus interacciones particulares. Más recientemente, la información astronómica de los satélites y de las instalaciones en tierra ha generado información extremadamente útil para la física de partículas. El naciente campo de la astrofísica de partículas trajo consigo una apreciación más profunda de la conexión fundamental entre el estudio de las partículas elementales y fenómenos astronómicos tales  como núcleos galáctico activos, agujeros negros, pulsares y la evolución total del Universo.

Durante la serie de experimentos y observaciones se extiende el paraguas de la teoría. Los físicos teóricos buscan construir un edificio coherente intelectual que pueda abarcar y explicar que han visto, utilizando el poder de las matemáticas para hacer sus ideas precisas y lógicamente consistentes. De esos modelos teóricos emergen predicciones que ayuden a definir los experimentos críticos necesarios para evaluar la estructura actual y extender el entendimiento actual a nuevos fenómenos.

Esta interacción constante en tiempo real entre la teoría y la experimentación ha producido un progreso sorprendente. En la primera mitad del siglo veinte, los físicos aprendieron que toda la materia en nuestro planeta está construida de partículas subatómicas conocidas como electrones, protones y neutrones. En la segunda mitad, descubrieron que los protones y neutrones están compuestos de otras partículas fundamentales conocidas como quarks, y los quarks y los electrones constituyen toda la materia actual, incluyendo a las familias pesadas y partículas raras. Aprendieron que esas partículas interactúan a través de cuatro fuerzas: Gravedad, Electromagnetismo y quizá las menos familiares, las conocidas como fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil. Desarrollaron una estructura teórica conocida como el Modelo Estándar, el cual describe y predice el comportamiento de las partículas elementales con niveles de precisión extremadamente altos. El desarrollo y análisis extraordinariamente preciso del Modelo Estándar han estado entre los mayores logros de la ciencia del siglo veinte.

Sin embargo, existe evidencia considerable que sugiere que los avances del siglo pasado están lejos de ser el fin de la historia, y que han sentado las bases para una nueva era de progreso igualmente emocionante. Los resultados de la teoría y experimentación sugieren que en las próximas décadas se producirá información que pueda ayudar a contestar algunas de las preguntas científicas básicas: ¿Por qué las partículas tienen masa? ¿Cuál es la relación de las partículas observadas en la naturaleza? ¿Cómo se explica la estructura y evolución del Universo y cuál es su futuro?

Estas preguntas ya están listas para una nueva fase de investigación por una gran variedad de razones. Por décadas, los físicos han tenido razones sólidas para pensar que los grandes descubrimientos esperan experimentos que puedan conducir a lo que se conoce como Teraescala (TeV = 10¹² eV). Esto es, un billón de electrón volts de energía que pueden ser impartidos a las partículas en los más poderosos aceleradores disponibles. Tomará más de 75 años desarrollar la tecnología necesaria para construir aceleradores que puedan abrir esta nueva frontera. Finalmente, las instalaciones experimentales que se han construido recientemente traerán la teraescala a nuestro alcance. Otros experimentos examinan la alta energía de los rayos cósmicos generado en el Universo distante o neutrinos generado por fusión solar, estos experimentos también prometen complementar en formas muy valiosas en extremo la información generada por los aceleradores.

Referencias:

Physics at the Terascale

Ian C. Brock

Electroweak Physics at the LHC (Theory)

Ansgar Denner

Non-Equilibrium Dynamics and Physics of the Terascale Sector

Ervin Goldfain

Physics at the Terascale

Helmholtz Alliance Website

Terascale Physics Summary

Jack Gunion

CoEPP

ARC Centre of Excellence for Particle Physics at the Terascele Website