Un poco más cerca de la Teoría del todo.

Historia del universo

El descubrimiento de que el universo se expandió mucho más rápido que la velocidad de la luz inmediatamente después del Big Bang, podría acercar a los físicos un poco más a su tan ansiada meta “La Teoría del Todo o Teoría Unificadora”.

El pasado 17 de marzo, un grupo de investigadores anunció el haber detectado la impronta de las ondas gravitacionales en el fondo de microondas cósmico, la antigua luz que surgió en el universo 380 000 años después del Big Bang.

Por lo que si se valida el importante hallazgo, se confirmaría la teoría de la inflación, la cual propone que el cosmos surgió de unas simples fluctuaciones cuánticas para dar lugar a algo de tamaño macroscópico, sólo unas pocas fracciones de segundos después de su nacimiento.

El descubrimiento también ofrece  a los investigadores una nueva ventana al reino de la física extrema, lo que permitirá acotar las ideas que se tienen del modelo de la inflación, a la vez ayudará potencialmente en la incesante búsqueda por concebir un marco teórico que pueda explicar todos los aspectos del universo, según afirma Avi Loeb, físico teórico de la Universidad de Harvard, aunque esto llevará su tiempo.

Explicando el universo

Los físicos se basan en dos diferentes teorías para explicar el universo, la teoría de la relatividad general de Einstein, la cual describe el comportamiento de súper estructuras como estrellas o galaxias, y la mecánica cuántica, la cual trabaja muy bien a nivel subatómico.

Juntas, los dos teorías abarcan las cuatro fuerzas fundamentales del universo; la relatividad general explica la gravedad; mientras que la mecánica cuántica se enfoca en la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo.

Pero las dos teorías son inherentemente incompatibles, a excepción de sitios con condiciones tan extremas como el interior de un agujero negro, o los instantes inmediatamente posteriores al Big Bang.  Es por ello que los físicos anhelan el encontrar una única teoría que compagine las cuatro fuerzas fundamentales y que trabaje en todos los niveles y condiciones.

Una de las principales candidatas para ser la Teoría del todo, es la teoría de cuerdas, que sostiene que todas las partículas fundamentales que existen en el universo son en realidad  objetos vibrantes unidimensionales, y según afirma el profesor Loeb, el descubrimiento de las ondas gravitacionales podría ayudar a afinar esta idea.   Por ejemplo, muchos físicos teóricos han predicho una versión de “baja energía” para la inflación que no es capaz de originar ondas gravitacionales, pero dado que con este descubrimiento esos modelos han quedado descartados, los físicos que trabajan en la teoría de cuerdas tienen que regresar a la mesa de trabajo y hacer nuevos modelos que sean compatibles con los  nuevos datos.

Física extrema

El nivel de  energía presente durante la inflación pudo ser del orden de  10^16 electronvoltios, aproximadamente 1 billón de veces más fuerte que la toda la energía generada en el más poderoso acelerador de partículas terrestre, el Gran Acelerador de Partículas.  A estos niveles de energía, según afirman los investigadores, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo, probablemente estuvieran fusionadas.

El descubrimiento de las ondas gravitacionales, es de fundamental importancia tanto para la física como para la cosmología, puesto que los investigadores no pueden realizar este tipo de experimentos en sus laboratorios dado la extraordinaria cantidad de energía necesaria, así que lo mejor que pueden hacer, es basarse en las pistas que nos ofrece el universo acerca de lo que ocurre cuando se concentran semejantes niveles de energía.

Las ondas gravitacionales primigenias ofrecen a los científicos una forma de asomarse al pasado como nunca antes lo habían hecho, es decir, una billonésima de una billonésima de una billonésima fracción de segundo después del Big Bang.

Mientras que el nuevo descubrimiento supone un punto de inflexión en nuestro entendimiento del universo, los físicos que trabajan en la Teoría del todo, les encantaría mirar un poco más atrás, hasta el primer momento de todo, la época Planck, en la que cree que estaban unificadas las cuatro fuerzas fundamentales.

Los científicos están construyendo una imagen del universo cada vez más precisa, pero aún queda mucho por aprender.  Por ejemplo como apunta Loeb, los investigadores desconocen qué era la substancia que impulsó la inflación, conocida como “inflatón”, y también desconocen la información básica de la misteriosa materia oscura y la energía oscura, las cuales en conjunto componen el 96% del universo.

Aunque estamos observando las primeras etapas del cosmos, donde se encuentran los constituyentes necesarios para explicar los datos que tenemos del universo, no sabemos lo que realmente son, según Loeb, aunque hay algunas islas de conocimiento, están rodeadas por un océano de ignorancia.

Aun así, el profesor cree que la Teoría del todo podría surgir eventualmente, siempre y cuando se continúen realizando observaciones tan relevantes como ésta que guíen el pensamiento de los teóricos.

Ya que como bien afirma Loeb, sólo pensando en ello de forma abstracta, como se ha venido haciendo en las últimas décadas, se llega muchas posibilidades matemáticas,  lo que impide dar con una única teoría que describa toda la realidad.

http://www.space.com/25159-gravitational-waves-theory-of-everything.html

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¿Porqué Stephen Hawking dice que los agujeros negros no existen?

Agujero negro

El mes pasado pudimos encontrar en arXiv un artículo escrito por Stephen Hawking con el extravagante título: “La conservación de la información y el pronóstico del tiempo para los agujeros negros”, en el cual el eminente científico dejaba entrever que los agujeros negros no existen, al menos tal y como los entendemos.

Recordemos que uno de los aportes más importantes que ha hecho Stephen Hawking a la ciencia, es la teoría de que los agujeros negros con el paso del tiempo pueden evaporarse, a este fenómeno se le conoce como radiación de Hawking.

En este artículo Stephen Hawking ha sacado a la luz una compleja paradoja que ha estado inquietando a los físicos por casi dos años.

Recordemos que una de las ideas fundamentales de la física, la Teoría de la relatividad general de Einstein, contradice lo que dice otro de los pilares fundamentales de esta ciencia, la dinámica cuántica; y aunque ambas teorías se mueven en mundos muy diferentes de la física, existe un ambiente en donde ambas convergen, el extremo remolino gravitatorio de un agujero negro.

Lo que  hace que un agujero negro sea negro, es su horizonte de sucesos. De  forma simple, podemos describir al horizonte de sucesos como el punto en el cual la luz no puede escapar del gigantesco abrazo gravitacional de la singularidad de un agujero negro; y es precisamente el hecho de que ni siquiera la luz pueda escapar, lo que hace que el agujero negro luzca como una esfera negra en el espacio, como una especie de autopista de un solo sentido en donde todo puede entrar pero nada puede salir.

 

La paradoja del horizonte de sucesos

En un universo gobernado por las leyes de la relatividad general, un astronauta que se adentrara en un agujero negro, no sentiría nada anormal mientras atraviesa el horizonte de sucesos, pues no es sino hasta mucho más tarde cuando comenzaría a ser destrozado por las inmensas fuerzas gravitatorias.

Sin embargo, el universo cuántico parece contradecir este tranquilo horizonte de sucesos.  En 2012, un grupo de físicos liderados por Joseph Polchinski de la Universidad de California en Santa Bárbara, propuso que si los agujeros negros no destruyen información, algo en lo que Stephen Hawking está de acuerdo, y que la información puede escapar del agujero negro a través de la radiación de Hawking, debe necesariamente existir un furioso inferno dentro del horizonte de sucesos que se conoce como muro de fuego o firewall.

Y es que según  la teoría cuántica, el horizonte de sucesos sería una región de alta energía, una especie de muro de fuego que quemaría completamente todo lo que en él se adentrara.  Sin embargo esto contradice lo que nos dice la teoría de la relatividad, sobre que alguien en caída libre debería percibir las leyes de la física de forma idéntica a como lo haría cualquier persona en cualquier lugar del Universo, sea flotando en el vacío del espacio intergaláctico o cayendo dentro de un agujero negro, por lo que según la teoría de Einstein, el horizonte de sucesos debería ser un lugar  sin nada en particular.

La solución de Hawking

Para Stephen Hawking existe una tercera opción en donde los principios de la mecánica cuántica y de la teoría de la relatividad general permanecen intactos, él propone que los efectos cuánticos alrededor del agujero negro hacen que el espacio-tiempo fluctúe tan salvajemente que hacen imposible la existencia de una superficie limítrofe bien definida, sea esta un muro de fuego o un horizonte de sucesos; y que en su lugar propone la existencia de un horizonte aparente, una superficie en la que la los rayos de luz que intentan escapar del núcleo del agujero negro permanecen en suspensión.

Para la relatividad general el horizonte aparente y el horizonte de sucesos son idénticos, porque la luz que intenta escapar del agujero negro sólo puede llegar a los límites del horizonte y será retenida ahí, como en si estuvieran en una máquina para correr.

Sin embargo, los dos horizontes pueden en principio diferenciarse, ya que si más materia es succionada por el agujero negro, su horizonte de sucesos crecerá mucho más que su horizonte aparente. Y al desprender lo que se conoce como radiación de Hawking, el horizonte de sucesos podría en teoría hacerse más pequeño que el horizonte aparente.

Según la nueva propuesta de Hawking, el horizonte aparente es el límite real, la ausencia de un horizonte de sucesos significa según lo expuesto en su artículo, que “no existen los agujeros negros en el sentido de que la luz no puede escapar hacia el infinito”.

Para Don Page, físico experto en agujeros negros de la Universidad de Alberta en Edmonton, Canadá y que colaboró con Hawking en los años 70, aunque parezca algo radical el proponer la inexistencia de un horizonte de sucesos, existen condiciones cuánticas tan extremas y hay tanta ambigüedad acerca de lo que es en realidad el espacio-tiempo, que es difícil que exista una región definida que pueda ser demarcada como un horizonte de sucesos.  Sin embargo cuestiona que se pueda dejar de lado la paradoja del muro de fuego, ya que la presencia de aunque sea un efímero horizonte aparente, podría darnos los mismos problemas que un horizonte de sucesos.

Al igual que un horizonte de sucesos, un horizonte aparente también pude disolverse eventualmente, dejando abierta la puerta a que en principio todo es posible de escapar de un agujero negro.  Aunque Hawking no especifica en su artículo cómo es que un horizonte aparente se disuelve, Page especula que cuando se ha encogido hasta alcanzar ciertas dimensiones que permita que tanto la mecánica cuántica y la gravedad se combinen, es posible que se desvanezca.  En este punto, lo que una vez estuvo atrapado dentro del agujero negro, puede ser liberado, aunque no en muy buen estado.

Si Hawking está en lo correcto, la materia estaría atrapada en los agujeros negros, sólo de forma temporal, detrás de este horizonte aparente, el cual gradualmente se encogerá, pero sin llegar a colapsar en el centro.  La información contenida en él no será destruida, pero estará tan revuelta que si escapara a través de la radiación de Hawking, tendrá una forma tan diferente que resultaría casi imposible saber qué eran los objetos que fueron devorados por el agujero, sería como bien apunta Page, “aún peor que intentar reconstruir un libro a partir de sus cenizas”.  En su artículo, Hawking lo compara a intentar predecir el tiempo, que en teoría es posible pero en la práctica es muy difícil hacerlo con exactitud.

Polchinski, sin embargo es escéptico respecto a la existencia de agujeros negros sin un horizonte de sucesos, porque para él, las fluctuaciones espaciotemporales que se necesitan para borrar el horizonte de sucesos constituyen un fenómeno muy inusual en el Universo, algo que no se ha podido observar en nuestro universo cercano, y muy raro a escalas mayores.

La mayoría de estos debates teóricos son muy difíciles de comprender y el resultado de sus cálculos hoy en día son imposibles de demostrar experimentalmente.  Sin embargo estos se fundamentan en la creciente inquietud que sienten los físicos por la incompatibilidad entre la teoría de la relatividad general y la dinámica cuántica, en particular en lo que concierne a como al papel de la gravedad en el mundo cuántico, el cual es un problema que no puede ser resuelto con el conocimiento que actualmente tenemos.

Una completa explicación del proceso, según Hawking, requerirá una teoría que exitosamente combine la gravedad con las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza, pero eso es algo que ha eludido a la física por casi una década.

Para más información:

http://www.nature.com/news/stephen-hawking-there-are-no-black-holes-1.14583