Unos cuantos misterios que la física aún no ha podido resolver

Nuestra realidad, el universo, la materia de la que estamos hechos, todo esto aún sigue siendo un enigma para la ciencia, cada nuevo descubrimiento a parte de darnos una pequeña pista sobre la realidad, nos deja muchos y más profundos enigmas, y es que mientras más se estudia nuestro entorno más fascinante se vuelve.  Estas son algunas de las más interesantes preguntas que se plantea la física moderna:

Porqué el tiempo se mueve en una sola dirección?

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El tiempo sólo se mueve hacia delante, eso se debe a una propiedad del Universo llamada entropía, que es un nivel de desorden que se incrementa y que no hay posibilidad de revertirlo una vez a empezado. En el Universo existe más caos que orden, es decir, hay más cantidad de partículas en desorden que las dispuestas de forma ordenada. Lo que nos lleva a hacernos otra pregunta, ¿cómo pudo ser posible que al principio de todo el Universo estuviera tan ordenado cuando toda la energía existente estaba apiñada en un espacio inimaginablemente pequeño?.

Cuál será el destino del Universo?

El destino del Universo depende estrechamente de un valor que actualmente es desconocido: Ω la medida de la densidad de la materia y la energía de todo el cosmos.

1) Si Ω es mayor que 1 y el espacio-tiempo fuese cerrado como una enorme esfera y

  • No existiera la energía oscura: el universo dejaría de expandirse y eventualmente comenzaría a contraerse para terminar colapsando sobre sí mismo en un evento llamado  Big Crunch o la Gran Contracción.
  • Si existiera la energía oscura: el universo se seguiría expandiendo eternamente.

La gran contracción

2) Si Ω es menor que 1 y la geometría del universo fuese abierta y similar a una silla de montar: su destino final sería el Big Freeze o La Gran Helada, seguido por el Big Rip o El Gran Desgarramiento; en este caso la eventual expansión del universo terminaría por deshacer las galaxias y las estrellas dejando sólo restos diminutos de materia fría, después la aceleración sería tan intensa que contrarrestará a la fuerza que mantiene unidos a los átomos y todo terminaría por deshacerse.

big_rip

3) Si Ω es igual a 1 y el universo fuese plano, se extendería infinitamente en todas direcciones, y

  • De no existir la energía oscura: el universo se continuaría expandiendo pero eventualmente esta expansión se desaceleraría lentamente hasta detenerse por completo.
  • De existir la energía oscura: el universo se expandiría cada vez más rápido hasta producirse el Gran Desgarre.

La energía oscura

energía oscura

A pesar de que la fuerza de gravedad hala hacia adentro el espacio-tiempo, éste se sigue expandiendo y lo hace cada vez más rápido, este agente invisible que contrarresta la gravedad debe ser una especie de energía de origen desconocido a la que han denominado energía oscura. Para explicar este fenómeno, los científicos han propuesto un modelo donde existe una “constante cosmológica”, que es una propiedad inherente del espacio mismo que tiene una presión negativa que conduce a la separación del espacio. Mientras el espacio se expande, más espacio es creado y con él más energía oscura. Basándose en el índice de expansión observada, se sabe que la suma de toda la energía oscura debe suponer más del 70% del total de la composición del universo, pero aún no se ha podido capturar ni observar directamente.

Materia oscura

Dark matter

La materia oscura no absorbe ni emite luz, (de ahí su nombre) por lo que no puede ser vista directa, ni indirectamente, pero se ha podido deducir su existencia a través de los efectos gravitatorios que ejerce sobre la materia visible, la radiación y la estructura del universo. Esta oscura sustancia se cree que impregna los bordes de las galaxias y que podría estar compuesta por partículas masivas pero interacción débil llamadas WIMPS (peleles) acrónimo en inglés de su descripción Weakly Interacting Massive Particles. Se calcula que constituyen el 84% de toda la materia del universo, y sin embargo pese a que por todo el mundo hay detectores vigilando a estos WIMPS, hasta ahora no se ha podido hallar ninguno.

¿Porqué existe más materia que antimateria?

Antimateria

La antimateria es la contraparte de la materia, algo así como su gemela pero con carga opuesta y espín opuesto; la contraparte antimateria del electrón es el positrón, un electrón pero con carga negativa. Si una partícula entra en contacto con su antipartícula, la masa de ambas se transforma en energía, en otras palabras, se destruyen.

La pregunta de por qué existe más materia que antimateria es la pregunta del porqué de la existencia del todo. Si asumimos que el universo trata de forma simétrica a la materia y a la antimateria y que por ello durante el Big Bang se produjo  igual cantidad de materia que de antimateria, ¿cómo es que no se aniquilaron mutuamente? Lo lógico es que se hubiese dado una total aniquilación de ambas, los positrones hubieran destruido a los electrones, los protones a los antiprotones, los neutrones a los antineutrones, y así hasta convertir todo en un aburrido mar de fotones sin materia. Pero por alguna razón esto no pasó, y actualmente existe un exceso de materia que no fue aniquilada y por eso ¡aquí estamos!, buscando una explicación a lo ocurrido…

¿Cómo medir el colapso de las funciones de onda?

función de onda

En el extraño mundo de los electrones, fotones y otras partículas fundamentales, las leyes de la física newtoniana no se aplican, ahí la mecánica cuántica es la ley. Las partículas no se comportan como pequeñas bolitas, sino como ondas dispersas en grandes áreas; así cada partícula está descrita por una función de onda o una probabilidad de distribución que nos dice cuál es su posible localización, velocidad, etc, pero sin decirnos exactamente cuáles con esas propiedades. Las partículas tienen una amplia gama de valores para todas sus propiedades hasta que usted experimentalmente las mide, por ejemplo al medir su localización, es cuando la función de onda de esa partícula colapsa y adopta una localización en particular. Y entonces ya no podemos saber con exactitud su velocidad (principio de incertidumbre de Heisenberg). Pero ¿porqué al medir su función de onda ésta colapsa, produciendo la existencia de la realidad concreta que somos capaces de percibir? Este punto conocido como el problema de la medición, puede parecer esotérico, pero nuestro entendimiento de lo que la realidad es, o si existe una “realidad”, depende de la respuesta a esa pregunta.

¿Existen universos paralelos?

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Según la astrofísica, el espacio-tiempo en lugar de ser curvado, es más bien plano e infinito. Y de ser así, la región que podemos ver, aquella que llamamos Universo, es sólo una capa en un infinito “multi-universo acolchado”. Así mismo, las leyes de la física cuántica nos dicen que sólo existe un número infinito de posibles configuraciones de partículas dentro de cada “parche” cósmico 10^10^122 diferentes posibilidades. Por lo que debe existir a su vez un número infinito de capas cósmicas, y las alineaciones de partículas están forzadas a repetirse en algún momento, muchas veces de forma infinita, lo que significa que debe existir un número infinito de universos paralelos, formando capas cósmicas exactamente iguales a nuestro universo que contienen a alguien exacto a usted, y a la vez otras capas que difieren sólo en la posición de una única partícula, otras capas que difieren en dos partículas y así hasta llegar a una capa que forman universos totalmente diferentes y opuestos al nuestro. Esta teoría aunque parezca bizarra en extremo, matemáticamente tiene su lógica, aunque por ello no significa que no pueda estar equivocada. Pero de ser correcta ¿cómo podremos detectar la presencia de esos otros universos paralelos?

La teoría de las cuerdas

StringTheory

Cuando los físicos asumen que todas las partículas elementales son en realidad bucles dimensionales o cuerdas que vibran a diferente frecuencia, la física se convierte en algo más fácil de comprender. La teoría de las cuerdas permite a los físicos reconciliar las leyes que gobiernan las partículas (llamada mecánica cuántica), con las leyes que gobiernan el espacio-tiempo (denominada relatividad general) y así unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza en un solo marco o infraestructura. Pero el problema radica en que la teoría de las cuerdas sólo funciona en un universo con diez u once dimensiones: tres grandes dimensiones espaciales, seis o siete dimensiones espaciales compactas y una dimensión temporal. Las dimensiones espaciales compactadas, así como las mismas cuerdas que vibran, son de aproximadamente una milmillonésima de una trillonésima del tamaño del núcleo de un átomo, y actualmente no existe forma alguna de detectar algo tan increíblemente pequeño y por lo tanto no existe forma imaginable de comprobar experimentalmente la validez o invalidez de esta interesante teoría.

¿Existe el orden en el caos?

Navier stockes

Los físicos aún no han podido resolver la serie de ecuaciones que describen el comportamiento de los fluidos, desde el agua, el aire pasando por los líquidos y los gases. De hecho se desconoce si existe una solución a las ecuaciones de Navier-Stokes y de haberla también se desconoce si sería capaz de describir la totalidad de los fluidos en cualquier sitio o si contiene inherentemente puntos desconocidos llamados singularidades. Las ecuaciones de Navier-Stokes reciben su nombre de Claude-Louis Navier y George Gabriel Stokes, y son un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales no lineales que describen el movimiento de un fluido. No se dispone de una solución general para este conjunto de ecuaciones, y salvo ciertos tipos de fluido y situaciones muy concretas, no es posible hallar una solución analítica. En consecuencia, la naturaleza del caos no es bien comprendida. Los físicos y matemáticos se preguntan ¿es el clima simplemente difícil de predecir o es inherentemente impredecible? ¿Las turbulencias transcienden las descripciones matemáticas o acaso todo cobra sentido cuando se le hace frente con la matemática adecuada?.

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