El alienígeno origen de las nubes nuctilucentes.

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Este particular tipo de nubles también conocidas como nubes mesosféricas polares, con su peculiar forma de ondas luminosas color azul eléctrico, suelen dar una especie de atmósfera alienígena al cielo crepuscular, y es que dicha semejanza no es coincidencia, ya que el ingrediente clave para su formación proviene del espacio exterior.

James Russell de la Universidad de Hampton y jefe del proyecto que tiene a su cargo el satélite AIM, llamado así por las siglas en inglés de Aeronomía del Hielo en la Mesosfera (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) de la NASA,  se encarga de analizar este tipo de fenómenos, y señala que se ha detectado que este tipo de nubes contienen una pizca de humo de meteoros.

Las nubes nuctilucentes o nubes luminosas, según lo indica su nombre, han sido todo un misterio desde su descubrimiento en 1885 por el alemán T.W. Backhouse. En un principio se pensó que su origen se debía a las cenizas arrojadas por la explosión del volcán Krakatoa, pero en cuanto las cenizas desaparecieron llevándose consigo los formidables atardeceres que hicieron de la observación de los cielos vespertinos un romántico pasatiempo, las nubles nuctilucentes permanecieron, y hoy día pueden ser observadas con mayor claridad que nunca entre los 50 y 70 grados al Norte y Sur del Ecuador.

Fotografía de Adrian Maricic. Loch Leven Fife, Escocia. 2 de julio, 2011.

Fotografía de Adrian Maricic.
Nubes nuctilucentes sobre el lago Leven, Escocia.
2 de julio, 2011.

El satélite AIM lleva consigo tres instrumentos, uno de ellos denominado SOFIE, según las siglas en inglés de Ocultación Solar para el Experimento de Hielo (Solar Occultation for Ice Experiment), que como su nombre lo indica, utiliza una técnica de ocultación solar para medir la energía proveniente del Sol que atraviesa el limbo de la atmosfera terrestre mientras el Sol sale o se oculta. Con la ayuda de este instrumento se ha podido determinar que cerca del 3% de cada cristal de hielo que compone las nubles nuctilucentes, tiene un origen meteórico.

El interior de nuestro sistema solar está plagado de meteoroides de diferentes tamaños que van desde los 50 metros hasta diminutas motas de polvo. Cada día la Tierra atrapa toneladas de este material, principalmente los más pequeños, cuando estos meteoritos penetran la atmósfera se incendian, dejando atrás una especie de niebla compuesta de diminutas partículas suspendidas a una altura de entre 70 a 100 kilómetros sobre la superficie terrestre. No es coincidencia que las nubles nuctilucentes se formen a 83 kilómetros de altura, directamente en la zona de niebla meteórica, porque precisamente estas diminutas motitas actúan como puntos de atracción donde las moléculas de agua se reúnen para formar cristales de hielo, en un proceso llamado nucleación.

La nucleación es un fenómeno que ocurre todo el tiempo en la capas inferiores de la atmósfera. En las nubes ordinarias, las motas de polvo en suspensión e incluso los microbios sirven como sitios de nucleación. Las gotas de agua, los pequeños cristales de hielo y los copos de nieve, se aglomeran alrededor de estas partículas y caen a la tierra cuando son lo suficientemente pesados.

Los agentes de nucleación son especialmente importantes en el etéreo reino de las nubes nuctilucentes, ya que estas nubles se forman en los límites del espacio exterior donde la presión del aire es casi nula, y por lo tanto las probabilidades de que dos moléculas de agua se encuentren son pocas, y de que se junten son aún más escasas, pero el humo de los meteoros ayuda a que se den las condiciones necesarias para ello.

Según los datos obtenidos a través del satélite AIM, los cristales de hielo pueden conglomerarse alrededor del polvo de los meteoros de rango entre 20-70 nanómetros. En comparación, las nubes tipo cirro que se forman en la parte más baja de la atmósfera donde el agua es abundante, contienen cristales entre 10 a 100 veces más grandes.

El pequeño tamaño de los cristales de hielo explica el color azulado de las nubes. Las partículas pequeñas tienden a dispersar las longitudes de onda de luz más cortas (azules) de forma más intensa que las longitudes de onda más largas (rojas). Así que cuando un rayo de luz golpea una nuble nuctilucente, el color azul es el que se dispersa hacia la Tierra.

El humo de los meteoros explica mucho sobre las nubes nuctilucentes, pero aún persiste un misterio fundamental. ¿Porqué brillan y se esparcen?

La importancia de su estudio

En el siglo XIX, las nubes nuctilucentes sólo eran visibles desde mayores altitudes, como Canadá o Escandinavia, pero en época reciente han sido observadas más hacia el sur, en lugares como Colorado, Utah y Nebraska. Russell cree que esto se debe al cambio climático.

Uno de los gases más abundantes en la atmósfera desde el siglo XIX es el metano; subproducto del carbón, gas natural, petróleo, vertederos y de actividades agrícolas.

Resulta que el metano incrementa al formación de las nubes nuctilucentes, como lo explica Russell, “cuando el metano llega a las capas más altas de la atmósfera es ionizado a través de una compleja serie de reacciones hasta formar vapor de agua, y es este vapor extra lo que permite la formación de cristales de hielo para la formación de las nubes nuctilucentes.

Este gráfico, preparado por el profesor James Russell de la Universidad de Hampton, muestra cómo el metano, un gas de efecto invernadero, hace que aumenten las cantidades de vapor de agua en la superficie de la atmósfera.  Las moléculas de agua se congelan alrededor del humo dejado por los meteoros para formar las nubes nuctilucentes.

Este gráfico, preparado por el profesor James Russell de la Universidad de Hampton, muestra cómo el metano, un gas de efecto invernadero, hace que aumenten las cantidades de vapor de agua en la superficie de la atmósfera. Las moléculas de agua se congelan alrededor del humo dejado por los meteoros para formar las nubes nuctilucentes.

De comprobarse esta teoría, las nubes nuctilucentes resultarían ser una especie de “canario de mina” que nos alerta sobre cuál es el principal gas de efecto invernadero. Y es por esto que también resulta importante su estudio, porque aunque tienen una apariencia extraterrestre, nos dicen algo muy importante sobre nuestro propio planeta.

http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2012/07aug_meteorsmoke/

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¿Vivimos dentro de un holograma? El principio holográfico y la teoría de cuerdas.

SEGUNDA PARTE.

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La paradoja entre entropía y agujeros negros

Teniendo en cuenta estas propiedades de la entropía, resulta muy extraño lo que sucede en el interior de un agujero negro, ¿cómo es posible que todo lo que cae en él termine reduciéndose a simplemente masa, carga eléctrica y velocidad de rotación? Es como si la materia desapareciera en su interior y como esto simplemente no puede ser, los físicos han pensado que a lo mejor la información quedaba almacenaba su  horizonte y que por tanto estamos ante un holograma, en donde la cantidad de información que puede ser almacenada no depende del volumen  (3 dimensiones: longitud, amplitud y profundidad), sino del área ( 2 dimensiones: longitud y amplitud).  Esta idea la propuso el físico mexicano Jacob D. Bekenstein, al notar la similitud entre lo que sucede en horizonte de sucesos de un agujero negro y la entropía.

 Agujero Negro

El principio holográfico y la radiación de Hawking

Uno de los principales aportes a la ciencia y en consecuencia la humanidad, que ha hecho el físico británico Steven Hawking es la predicción teórica de que los agujeros negros emiten radiación.

Ahora sabemos que el espacio vacío en realidad está impregnado de energía que no siempre es constante, a ese fenómeno se le conoce como fluctuaciones cuánticas del vacío, estas fluctuaciones de energía dan lugar a la creación por brevísimos instantes a pares de partículas virtuales, (partículas y antipartículas).

Una partícula virtual es aquella que existe por un periodo de tiempo tan corto que infringe la ley de conservación, es decir aparece y desaparece de la nada. Una antipartícula es básicamente una partícula gemela, por cada partícula fundamental existe otra  con igual masa, mismo espín pero diferente carga eléctrica, por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón, que viene a ser una especie de electrón pero con carga positiva.

Dentro de la intensa concentración de gravedad (energía) en un agujero negro, esos pares de partículas pasan de ser virtuales a ser reales, (su existencia se prolonga un poco más en el tiempo).  Cuando  estos pares de partículas se forman dentro del horizonte de sucesos, sucede que la partícula entra en contacto con su anti-partícula y ambas terminan destruyéndose,  devolviendo al agujero negro la energía usada para su creación.  Pero existe la posibilidad de que justo en el límite del horizonte de sucesos se formen esos pares de partículas, quedando una dentro y la otra fuera de la influencia gravitatoria del agujero negro, por lo que uno de los componentes del par podría escapar y parte de la energía del agujero negro escaparía con ella, lo que tiene como consecuencia la emisión neta de radiación por parte del agujero negro y por consiguiente una reducción de su  masa.  A este curioso fenómeno se le conoce como radiación de Hawking.  Si esto sucede continuamente tenemos que a través de miles de millones de años el agujero negro terminaría por evaporarse.

Este descubrimiento trajo consigo una interesante conclusión, si los agujeros negros emiten radiación (energía),  tienen temperatura y por lo tanto tienen entropía.  De hecho son considerados como los sistemas de máxima entropía.

Así combinando la idea de Bekenstein con el fenómeno de la radiación de Hawking, tenemos que es posible calcular la entropía de un agujero negro la cual es equivalente al área de su horizonte de sucesos.  Aunque un agujero negro gobierna una región tridimensional del espacio, la información que contiene depende del área de su horizonte de sucesos, no de su volumen.

Pues bien, sabiendo esto,  aparte de quedarnos  claro que los agujeros negros son objetos muy extraños, también tenemos los elementos básicos para comprender el fenómeno holográfico a los que dan lugar.

Sabemos que la información (energía), se puede manifestar físicamente, sea en forma de trozo de leña, enciclopedias, personas, etc.  Y puesto que la energía es equivalente a la masa (E=mc2),  al concentrar información en un área equivale a concentrar masa.  Si usted pudiera concentrar demasiada información/masa en un espacio diminuto, terminaría creando un agujero negro, ya  que existe un límite respecto al contenido de información que se puede almacenar en una región del espacio que no sea un agujero negro, (si se excede ese límite se formará un agujero negro).  A este límite se le conoce como frontera de Bekenstein.

En los sistemas que nos rodean la entropía aumenta con el volumen (3D), pero en los agujeros negros aumenta si aumenta su área (horizonte de sucesos bidimensional).  Esto nos recuerda mucho a un holograma.

Teoría del horizonte

Todos hemos visto un holograma, esos dibujos que parecen flotar dentro de unos cuadros plateados  en las tarjetas de crédito y en algunos billetes; y podríamos definirlos como estructuras de dos dimensiones que guardan información de la estructura tridimensional de un objeto.  Lo que genera la sensación de 3D es la luz que al reflejarse de determinada forma en ese objeto nos da ofrece la visión de una realidad diferente de la realidad.

Podemos concluir que un sistema de dos dimensiones y otro de tres son análogos respecto a la información que contienen; a esto se le conoce como principio holográfico.  Y eso es  precisamente lo que sucede en un agujero negro, la información de todo lo que contiene se graba en el espacio bidimensional de su horizonte de sucesos y al ser bañado con luz se expresa en tres dimensiones.

En 1995 el físico teórico Leonard Susskind redefinió la teoría de cuerdas al añadirle el principio holográfico como pilar central, y en 1997 un joven físico de 29 años, Juan Maldacena,  propuso la primera descripción del universo holográfico.

El universo que nos propone Maldacena es un universo muy particular que en nada se parece al que percibimos con nuestros sentidos, para él se trata de un holograma en donde todo lo que sucede puede ser descrito por una teoría física que sólo está definida en su horizonte.  A esto también se le conoce como teoría del horizonte (Boundary Theory).  Aquí el enigma de la gravedad cuántica estaría resuelto  por el simple hecho de que la gravedad no existe, pero puede ser percibida como parte de la ilusión holográfica.

El espaciotiempo curvo

Para entender el modelo de universo que propone Maldacena, repasemos un poco de geometría.  Recordemos que las curvas vienen en dos formas, negativas y positivas.  La forma más simple de curvatura positiva es la esfera; mientras que la forma más simple de curvatura negativa es la hipérbola, la cual se puede definir como un espacio con una curvatura negativa constante.

Hipérbola

Las figuras hiperbólicas han fascinado tanto a artistas como a científicos, el brillante diseñador gráfico holandés Maurits Cornelis Escher ha diseñado hermosas representaciones de espacios hiperbólicos.

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Esta figura representa  un mapa plano de un espacio con curvatura negativa, en este tipo de representaciones la ruta más corta entre dos puntos no corresponde a una línea recta sino a una curva.  La forma en la que los peces se van haciendo más y más pequeños es sólo un artilugio para representar como el espacio curvo está comprimido para caber en la hoja de papel, pero en realidad son todos de igual tamaño.  Un ser que viviera en este mundo hiperbólico, no notaría ninguna distorsión en el tamaño de los peces, de hecho para llegar hasta el límite del círculo tendría que caminar por infinidad de copias de igual tamaño de estos peces. Para este ser hiperbólico, el horizonte del círculo estaría infinitamente lejos.

Sin embargo, una representación gráfica más real de este mundo hiperbólico sería imposible de dibujar debido a su forma extremadamente retorcida.  Pequeñas regiones de este plano tendrían formas como de silla de montar.

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Para incluir el tiempo en una representación del espacio, los físicos pueden de igual forma considerar el espaciotiempo con una curvatura negativa o positiva.

La forma más simple de espaciotiempo con curvatura positiva es el espacio de Sitter (Sitter space).  Llamado así en honor al matemático, físico y astrónomo holandés Willen de Sitter.  Muchos cosmólogos creen que el universo en una etapa  temprana era muy similar al espacio de De Sitter y piensan que en un futuro muy lejano, volverá a ser así, debido a la aceleración cósmica.

De Sitter

La forma más simple de espaciotiempo con curvatura negativa es el espacio anti De Sitter (anti De Sitter space), similar a un espacio hiperbólico con la excepción de que también tiene una dirección de tiempo.  A diferencia de nuestro universo el cual se expande, el espacio anti De Sitter ni se expande  ni se contrae, a pesar de esta diferencia, el espacio anti De Sitter resulta muy útil a la hora de intentar elaborar teorías cuánticas de espaciotiempo y gravedad.

El espacio anti De Sitter.

Tal y como lo describe el propio profesor Maldacena en la revista Scientific American (noviembre de 2005), si nos imaginamos el espacio hiperbólico como un de los discos dibujados por  M.C. Escher, entonces el espacio anti De Sitter sería como una pila de estos discos formando un cilindro sólido, y el tiempo correría a lo largo del cilindro.

Cilindro

La física en este tipo de espacio tendría características muy particulares, se podría experimentar la gravedad, si se arrojara un objeto este regresaría, pero sorprendentemente,  el tiempo requerido para que el objeto regrese no dependerá lo fuerte que se haya arrojado.  La diferencia radica en que al arrojarse con mayor fuerza, recorrerá más distancia para regresar al punto de partida.  Si usted  envía un rayo de luz dentro de este particular espacio (viajando a la máxima velocidad posible), el rayo alcanzaría el infinito  y regresaría a usted en un periodo de tiempo finito; esto porque el objeto experimentaría una especie de contracción del tiempo cada vez más grande conforme se va alejando de usted.

 El holograma

El espacio anti De Sitter a pesar de ser infinito tiene un límite localizado más allá del infinito.  Para dibujar este horizonte los físicos y matemáticos usan una escala distorsionada de la distancia  similar a la usada en el disco de M.C. Escher, para contraer una distancia infinita en un espacio finito.

Según el profesor Maldacena, este horizonte es como el límite del cilindro en la figura anterior, tendría dos dimensiones, una de espacio (orbitando alrededor del cilindro) y otra de tiempo (que corre a lo largo).  En el espacio anti De Sitter de 4 dimensiones, el límite tendría 2 dimensiones espaciales y una dimensión temporal.  Justo como sucede con la representación del disco de M.C. Escher, el límite del espacio de anti De Sitter de 4 dimensiones tendría forma de esfera en cada momento.  En este límite es donde yace la teoría holográfica.

De forma simplificada esto significa que la teoría de la gravedad cuántica en el interior del espaciotiempo de anti De Sitter, resultaría equivalente a la teoría de la mecánica cuántica tradicional de las partículas que vivirían en el horizonte de este universo.  De comprobarse esta equivalencia, se podría usar la mecánica cuántica (que está relativamente comprendida) para definir a la gravedad cuántica (que no lo está).

El profesor Maldacena nos propone esta analogía, es como tener dos copias de una misma película, una en formato celuloide, y otra en un disco compacto.  La primera copia está en un formato lineal en una cinta de celuloide en donde cada marco corresponde a una escena de la película, y la segunda copia está en un disco bidimensional con anillos de puntos magnetizados que forman una secuencia de ceros y unos, y sin embargo ambos formatos describen a la misma película.

De forma análoga la teoría del horizonte de partículas se asemeja a la teoría de partículas en ausencia de gravedad.  De forma como en disco compacto, las imágenes sólo emergen cuando cada punto de información es procesado de cierta manera; en la teoría del horizonte de partículas, la gravedad cuántica y la dimensión extra aparecen cuando las ecuaciones son analizadas de la forma adecuada.

Al decir que ambas teorías son equivalentes, el profesor Maldacena quiere decir que por cada ente que existe en la teoría tradicional, existe otro equivalente en la teoría del horizonte.  Sin embargo ambos entes serían muy diferentes a su contraparte, por ejemplo un ente del interior de este universo, se podría ver como una única partícula; mientras que su contraparte del horizonte, correspondería a toda una colección de partículas, consideradas como una sola entidad.  Además si dos partículas tienen un 40% de posibilidades de colisionar en el interior, las dos colecciones de partículas correspondientes del horizonte, también tendrían el 40% de posibilidades de colisionar.

La teoría del horizonte y la teoría de cuerdas.

Gerard´t Hoof de la Universidad de Utecht, en 1974 predijo que los gluones, (bosones que mantienen unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones), formaban cadenas que se comportaban de forma similar a las cuerdas descritas en la teoría de cuerdas.

La verdadera naturaleza de las cuerdas es aún desconocida, pero en 1981, Alexander M. Polyakov, profesor de la Universidad de Princeton, propuso que las cuerdas vivían en un espacio dimensional más alto que el de los gluones.  En las teorías holográficas, ese espacio dimensional más alto, está en el interior de espacio anti De Sitter.

Para comprender el origen de las dimensiones extra, el profesor Maldacena nos sugiere comenzar por considerar una de las cuerdas que da origen a un gluón en el horizonte de nuestro espacio imaginario.  Esta cuerda tiene espesor, el cual está relacionado con la cantidad de gluones que se encuentran esparcidos en su interior.  Las cuerdas de más finas se ubican cerca del horizonte, mientras que las cuerdas de mayor grosor se encuentran más alejadas.  Desde la perspectiva de un observador ubicado dentro del espaciotiempo, las cuerdas a pesar de tener diferente grosor, lucen como cuerdas finas en ubicadas en diferentes locaciones radiales.  El número de interacciones que se producen dentro del horizonte, determina el tamaño de su interior (el radio en el disco de Escher).

Cuerdas

Así esta correspondencia holográfica, conocida también como Conjetura anti De Sitter / Teoría de campos conformesAdS/CFT, por sus siglas en ingés;  no es sólo una alocada posibilidad para definir la gravedad cuántica, sino que también sirve para conectar la teoría de las cuerdas (que es el estudio más elaborado para entender la gravedad cuántica), con las teorías de quarks y gluones, que son los pilares en los que se basa la física de partículas.

¿En qué nos afecta todo esto?

Como ya nos advierte el propio Maldacena, su modelo no es más que eso, un modelo de universo, aún no podemos determinar si realmente vivimos en el interior de una proyección holográfica, los estudios realizados por Yoshifumi Hyakutake y colegas de la Universidad de Ibaraki en Japón,  a los que se hace referencia al principio de esta entrada y que dieron lugar a varios titulares donde se afirmaba que posiblemente nuestra realidad sea un holograma, lo que en realidad confirman es que:

  1. La descripción de los agujeros negros es esencialmente holográfica, que
  2. Corresponde a la Conjetura anti De Sitter/Teoría de campos conformes o AdS/CTF.

Pero de forma alguna significa que nuestro realidad sea un holograma, según concluye el profesor Maldacena, “la prueba numérica de que estos sistemas sean idénticos, nos da esperanza de que las propiedades gravitacionales de nuestro universo puedan algún día ser explicadas a través de un modelo más simple de cosmos, en términos puramente cuánticos”.

Todavía es mucho lo que desconocemos acerca de la realidad, por lo es temprano para dar por verdadera una teoría que trate de explicarla, pero a la vez resulta prepotente el descartar cualquier posibilidad basándonos únicamente en lo que ahora sabemos.  Lo único que podemos decir es que parece que la realidad es mucho más interesante, extraña y fascinante de lo que podemos imaginar.

 

Fuentes:

http://arxiv.org/pdf/1311.5607v1.pdf

http://arxiv.org/pdf/1311.7526v1.pdf

Más información:

Scientifi American Noviembre, 2005. “The illusion of gravity”. Maldacena, Juan.

http://plus.maths.org/content/illusory-universe

¿Es nuestro universo un holograma?

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PRIMERA PARTE.

Un estudio llevado a cabo por científicos japoneses publicado este mes en la revista Nature, verificaba mediante el uso de modelos de simulación computarizada la existencia de una especie de realidad holográfica, esto ha hecho que nos acordemos de la interesante propuesta contenida en una “remasterización” de la famosa teoría de las cuerdas propuesta en 1990 por Juan Martín Maldacena, físico y profesor en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, en donde se desarrolla la idea de que el universo en el que habitamos, incluidos nosotros mismos, seamos sólo una ilusión, un holograma producto de una realidad en la que sólo existen dos dimensiones.

Esta propuesta no es fácil de asimilar y mucho menos de exponer en términos dialécticos, pero por más absurda que parezca vale la pena hacer el esfuerzo por conocerla porque tiene un fundamento matemático muy fuerte, (las matemáticas son las herramientas básicas con las que contamos a la hora de intentar describir cómo es que funciona el Universo, desde lo más diminuto hasta lo más grande); pero para comprender los aspectos más básicos en los que se basa esta teoría, es necesario tener presente algunos puntos.

 El gran misterio de la física

Mientras que la teoría general de la relatividad describe lo que sucede con los planetas, las galaxias, etc; la mecánica cuántica intenta explicar lo que sucede a nivel subatómico, el reino de las partículas fundamentales de las que está compuesta la materia.

Con ambas teorías se puede explicar casi todo lo que sucede a nuestro alrededor, pero hay un problema, ambas teorías son incompatibles, pareciera que se rigen por reglas diferentes; mientras que a nivel macro la gravedad es importantísima, a nivel cuántico, donde casi no hay masa, la gravedad resulta insignificante, lo que mantiene unidas a las partículas que forman los átomos no es la fuerza de gravedad, sino una especie de partículas que sirven de mensajeras o portadoras de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, los bosones gauge, una partícula ejerce fuerza sobre la otra al enviar unos cuantos de estos bosones gauge.

En la naturaleza existen cuatro fuerzas  fundamentales cada una con su correspondiente bosón:

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Experimentalmente ha sido posible la observación de las partículas portadoras de tres de estas fuerzas fundamentales, pero hasta la fecha no se ha podido comprobar la existencia del gravitón, y lo que es más confuso, todos los intentos por describir al gravitón en términos matemáticos acordes a la teoría de los campos, han arrojado resultados erróneos.

La teoría del campo cuántico, describe a las partículas como estados excitados de un campo físico subyacente, de forma muy simplificada, en física se denomina campo a una distribución espacial con una magnitud o energía diferente del resto del espacio en donde de encuentra, esto significa que el espacio vacío no está tan vacío sino que está impregnado por una especie de energía, y que las partículas son una cualidad asociada a un campo, ahí donde se concentra la mayor parte de energía, aparece la partícula relacionada a ese campo.  A esto también se le conoce como “cuantización”.    Por ejemplo: el fotón es el quantum del campo electromagnético.

Así, la tan buscada teoría del campo unificado capaz de unir las 4 fuerzas fundamentales en términos de un solo campo, continúa esquivando a los físicos; pero ellos no se dan por vencidos tan fácilmente y para resolver el problema han optado por darle otro enfoque,  es aquí donde entra  la Teoría de  Cuerdas.

En búsqueda de una teoría del todo.

Partiendo de la incompatibilidad entre la mecánica cuántica y a la teoría de la relatividad general, los físicos, incluyendo a Einstein, han intentado buscar una base matemática unificada, una teoría que pueda unir ambos mundos, se han formulado muchas, pero hasta el momento no se han obtenido resultados definitivos en ninguna de ellas.  Sin embargo existe una teoría matemática que ha captado la atención científica por su particular elegancia, la Teoría de Cuerdas (String Theory), que es en realidad una colección de varias teorías, y cuya idea principal consiste en describir a las partículas fundamentales como pequeñas cuerdas vibrantes.

Si dividimos una cosa, la que sea, hasta el punto donde no es posible dividirla más, nos encontraremos con una partícula fundamental, (aquella que ya no admite más divisiones), pero según el modelo estándar de la física existen ¡17 partículas fundamentales diferentes!, (18 si contamos al elusivo gravitón).

Modelo estándar de partículas.

Modelo estándar de partículas.

 Todo lo que existe está compuesto por estas partículas, no todas están en todos los elementos pero todas están presentes en todo cuanto existe en el universo. ¿Parecen muchas verdad? Lo lógico sería  que existiera sólo una partícula fundamental común, pero dado que no es así, los físicos han propuesto que lo que se encuentra en lo más profundo de cada partícula fundamental es una especie de cuerdas, que al igual que las cuerdas de una guitarra en donde una sola cuerda puede emitir varios sonidos diferentes, estas súper cuerdas emiten varios tipos de vibraciones, y con cada tipo de vibración aparece una partícula fundamental diferente. Así un electrón es en realidad una cuerda en forma de lazo y sin dimensiones, que se extiende en un universo de más de 4 dimensiones, que al vibrar de cierta manera haría que viéramos a un electrón, pero al oscilar de otra manera nos haría ver a un fotón o a un quark o a cualquier otra partícula fundamental.

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1. Materia
2. Estructura molecular
3. Átomos
4. Electrones
5. Quarks
6. Cuerdas

Entre las objeciones que se le han hecho a esta teoría esta el que es incapaz de dar una descripción completa del mundo, (aún quedan cualidades físicas que no puede explicar), y el que no existe una forma de poder verificar experimentalmente lo que expone.  Sin embargo es una versión de esta teoría planteada por el profesor Maldacena, la que nos da la clave para resolver el enigma de la gravedad cuántica, al describir a la gravedad como una ilusión producto de un holograma cuántico.

Aunque es cierto que el conflicto entre la mecánica cuántica y la relatividad general no supone un problema constante para  la física, ya que  la mayoría de las veces los físicos,  o se centran a investigar el mundo de  las partículas, donde la gravedad casi no es importante,  o bien se dedican a estudiar el cosmos, donde los efectos cuánticos no entran en juego; existe un sitio donde el desacuerdo entre ambas teorías se hace tangible, los agujeros negros.

Los agujeros negros están formados por grandes cantidades de masa concentrada en una diminuta región del espacio, y como resultado de ello la fuerza gravitatoria que producen es tan fuerte que nada puede escapar a ella, ni siquiera la luz.  Si la Tierra se compactara sobre sí misma para formar un agujero negro, ¡se encogería hasta medir sólo 3 centímetros!.  Así las cosas, resulta imposible ignorar a la gravedad al estudiar los agujeros negros, y la extrema concentración de su materia hace que los efectos cuánticos deban ser tomados en cuenta también; por lo que para describir lo que sucede dentro de un agujero negro, los científicos necesitan una teoría unificadora, una teoría que con un solo juego de fórmulas matemáticas sirva para describir lo que sucede tanto a nivel cuántico como a  nivel cósmico.

Agujeros negros y hologramas

La particularidad de los agujeros negros, fue lo que hizo surgir la idea de lo que se conoce como principio holográfico.

Los agujeros negros están rodeados por un área enorme de dos dimensiones que aumenta en proporción a lo que caiga dentro de él y cuyo límite es denominado horizonte de sucesosEste horizonte representa un punto de no retorno, si usted cruzara esa frontera, aunque no perciba nada de inmediato, estaría condenado irremediablemente a caer dentro del agujero negro que hay en el centro.  La paradoja está en que a pesar de que los agujeros negros absorben todo lo que cruce su horizonte de sucesos, sean planetas o estrellas (existen agujeros negros súpermasivos, miles de millones de veces más grandes que nuestro Sol, y hay uno en el centro de nuestra galaxia y posiblemente dentro de cada galaxia…), desde afuera pueden ser descritos al determinar su masa, carga eléctrica y energía de rotación.

Para intentar entender  lo que sucede dentro de estos sistemas tan extremos, lo mejor será que seamos aventureros e imaginemos que nos adentramos en los confines de uno de estos pozos negros.   Nosotros estamos compuestos por una gran cantidad de información, color de cabello, estatura, rasgos físicos, millones y millones de células, de moléculas, millares y millares de formas en las que se combina nuestro ADN, e incluso nuestras ideas, todo lo que nos describe, todo esto sería absorbido por el agujero negro, junto con todo lo demás que pueda atrapar, y que una vez dentro es imposible que vuelva a salir. Todo esto nos hace suponer que un agujero negro es un sistema muy complejo que para ser descrito se necesitarían  cantidades casi infinitas de información, pero resulta que no es así, según la física clásica usted podría describir un agujero negro con sólo tres unidades de información: su masa, su carga eléctrica y su velocidad de rotación.  Así que una vez que estamos dentro de un agujero negro todo lo que somos se reduciría a  tres simples números.  ¡Caer en un agujero negro sí que  nos simplificaría la vida!   ; )

Pero es precisamente esta “simplicidad” lo que confundía a los físicos porque contradice una de sus leyes fundamentales, la segunda ley de la termodinámica.

La termodinámica es la disciplina que estudia como fluye la energía o el calor en un sistema, y según esta ley las cosas nunca se simplifican, siempre tienden a ir del orden al caos.  Y la entropía es la medida del “desorden” existente en un sistema.

Centrémonos un momento en la entropía.  Podemos definir a la entropía como la distribución de la energía o información en el espacio.  Como energía: porque recordando a Einstein y el principio de conservación, tenemos que la energía y la materia son dos manifestaciones de un mismo fenómeno, por ejemplo al quemar un trozo de leña este se transforma en cenizas, luz y calor que se dispersan en el ambiente, así tenemos que el trozo de leña no desaparece sólo se transforma.  La entropía también puede ser considerada como información: porque para describir un trozo de leña a se necesita conocer los elementos que lo componen como la celulosa, la configuración de las moléculas para formar esos elementos como la glucosa, etc. Y al quemar la leña toda esa información se conserva pero de forma dispersa en ambiente, en forma de dióxido de carbono, vapor de agua, etc.

Recapitulando, tenemos que la materia puede ser considerada como energía o como información, y la entropía viene a ser la medida de la distribución de la energía o información en el espacio, y que una vez que la energía se ha dispersado en el ambiente es prácticamente imposible volverla a concentrar en un solo punto. Piense en el calor y en cómo es prácticamente imposible recoger el calor producido al quemar el trozo de leña y volverlo a concentrar para formar el trozo de leña de donde salió. Por eso se dice que la entropía es algo que siempre va en aumento.

Como habrá notado, la entropía está en estrecha relación con el espacio, las moléculas que componen la materia se organizan en las tres dimensiones del espacio que ocupa el sistema (en este caso, trozo de leña), por lo que es proporcional a su volumen.

Todo esto supera la forma en como nuestro raciocinio dialéctico percibe el universo, pero matemáticamente tiene su lógica.  De momento tratemos de asimilar estos datos,  próximamente continuaremos desarrollando la idea del principio holográfico y los agujeros negros.  Mientras tanto les dejo con esta inquietud.  Puede que la realidad sea muy diferente de lo que creemos.  Continuará…

Descubren que nuestros ancestros procrearon con una misteriosa especie no humana ni neandertal.

Neandertales

En un evento celebrado el pasado 18 de noviembre en la Real Sociedad de  Londres, se presentó un estudio (aún pendiente de publicación), de la secuencia de los genomas de los antiguos humanos que reveló que el homo sapiens no sólo tuvo encuentros sexuales con los neandertales y con un linaje poco conocido llamado denisovanos, sino también con un grupo desconocido que habitó Asia hace más de 30 000 años.

En palabras de Mark Thomas, genetista evolucionario del Colegio Universitario de Londres (que no participó en el estudio pero que sí  asistió al evento), “nos hace suponer un mundo similar al que se describe en el “Señor de los Anillos”, en donde cohabitaban varias poblaciones de homínidos”.

Herencia Mixta:

Los neandertales fueron una especie ahora extinta vivió entre 30 000 y 130 000 años atrás.  Contrario a lo que la cultura popular nos quiere hacer creer, los neandertales fueron casi tan avanzados como los homo sapiens en cuanto a la fabricación de herramientas, e incluso algunos expertos les atribuyen la creación de las impresionantes pinturas de las cuevas de Altamira.

Los denisovanos son una especie mucho más lejana, vivieron en Siberia hace 30 000 años y probablemente provienen de una separación de la rama del árbol genético de la familia humana que eventualmente dio origen a los neandertales.  Su nombre hace alusión a la cueva de Denisova en las Montañas Altai de Siberia donde fueron encontrados sus restos.

Según los análisis genéticos los neandertales, los denisovanos y los homo sapiens tenían encuentros sexuales entre sí e incluso llegaron a procrear.

Todos los humanos modernos le debemos cerca de un 2% de nuestro genoma a los neandertales.  Algunas poblaciones de Oceanía como Papúa Nueva Guinea y los aborígenes australianos, comparten cerca del 4% de su ADN con los denisovanos. Y por razones que aún desconocemos sólo ha sobrevivido los homo sapiens.

En esta fotografía publicada por la National Geographic, se muestra el pequeño fragmento de hueso del quinto dedo de un joven homínido Denisovano descubierto por  un arqueólogo ruso en 2008 y que ahora se le conoce como la Mujer X, en referencia a su ADN mitocondrial.

En esta fotografía publicada por la National Geographic, se muestra el pequeño fragmento de hueso del quinto dedo de un joven homínido denisovano descubierto por un arqueólogo ruso en 2008 y que ahora se le conoce como la Mujer X, en referencia a su ADN mitocondrial.

Nuevos genomas, nuevos descubrimientos

Los estudios previos se basaban en secuencias de genomas de baja calidad plagadas de errores y espacios, sin embargo  las nuevas tecnologías han permitido a los investigadores limpiar el ADN original de posteriores contaminantes.  Por lo que pruebas que antes no eran consideradas aptas para análisis son ahora  buenas muestras de estudio.

Y estos modernos análisis han confirmado lo que se había descubierto en estudios anteriores, que los denisovanos se mezclaron con ancestros de los pobladores de Oceanía, con los neandertales, con el homo sapiens y lo más sorprendente, un misterioso cuarto ancestro, que según David Reich, genetista evolucionario de la Escuela de Medicina de Harvard que sí participó en el estudio, “los genomas indican que los denisovanos procrearon con otra población que vivió en Asia hace más de 30 000 años, que no es humana ni neandertal”.

Los científicos no tienen aún ni idea de qué especie puede tratarse, lo cual deja abierta la puerta para el debate, según Carles Lalueza-Fox paleogenetista de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona España, (que no participó en el estudio pero acudió al evento), puede tratarse de una especie similar al homo erectus.  Y  Chris Stringer, paleontólogo del Museo Natural de Londres (que tampoco participó en el estudio) especula que esa misteriosa población podría estar relacionada con el homo heidelbergensis, una especie que dejó África hace medio millón de años y que luego dio origen a los neandertales de Europa.

Fuentes:

http://www.livescience.com/41610-ancient-human-sex.html

http://www.nature.com/news/mystery-humans-spiced-up-ancients-sex-lives-1.14196