lunes, 13 de junio de 2011

Los grandes problemas de la física teórica actual

Hace tiempo que llevo barajando escribir un post sobre la Teoría de Cuerdas, que considero es un tema muy interesante desde el punto de vista sociológico. Como preludio a ese grandioso post (XD) he decidido escribir otro antes explicando cuales son los temas candentes en física que a todos nos gustaría resolver. 

La lista es muy similar a la que hay en el libro The Trouble with Physics, de Lee Smolin. Imagino que habrá más en otros libros.



El problema de la unificación 

Antes de empezar con la teoría en sí, veamos para que se creó. Obviamente las teorías científicas no salen de la nada, se crean para responder a algún problema. Y el problema en cuestión aquí es la unificación de la Física Cuántica y la Relatividad. 

Por unificación se entiende cuando hay dos teorías que explican fenómenos en apariencia diferente y a alguien se le ocurre la manera de englobarlo todo en una sola teoría.  Esto a priori podría parecer un simple capricho, pero no lo es en absoluto. Al unificar dos teorías se pueden descubrir nuevos fenómenos que antes no nos imaginábamos que ocurrieran, nuevos métodos y predicciones.

Como ejemplo de unificación tenemos el caso de Faraday y Maxwell. Gracias a estos genios, dos fenómenos que aparentemente eran diferente, la electricidad y el magnetismo quedaron unificados en la Teoría Electromagnética. Esta nueva teoría quedó recogida en las famosas Ecuaciones de Maxwell, que describen el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos y como interaccionan entre sí. Esta teoría proporcionó un maravilloso método de cálculo para los fenómenos electromagnéticos, pero también predijo nuevos fenómenos, como la existencia de ondas electromagnéticas como la luz, pero que no podían ser vistas.
Está claro que una teoría unificadora es siempre algo muy interesante, entonces la pregunta es ¿qué queda por unificar? Básicamente las dos principales teorías de la física actual, la Física Cuántica y la Relatividad General. Estas dos teorías están consideradas las más acertadas dentro de la física. La cuántica estudia los objetos muy pequeños, como átomos, moléculas o partículas. La Relatividad, por su parte, estudia la gravedad, que sólo juega un papel relevante en objetos muy grandes, como la tierra o el sol. Cada una por su lado funcionan perfectamente y no ha habido aún ningún experimento u observación que las contradiga, el problema es que se basan en principios muy diferentes y difíciles de conciliar. La física cuántica trata el tiempo y el espacio como factores externos a la teoría, mientras que en relatividad son variables de la misma. 

La pregunta ahora es: ¿Es esto un problema? Ya que la física cuántica trata las cosas muy pequeñas y la relatividad las cosas muy grandes, ¿no sería más sencillo dejarlas cada una en su campo? Por un lado esa podría ser una solución, pero los científicos somos muy curiosos y no nos convence. Por un lado ya he dicho que una teoría nueva nos podría descubrir nuevos fenómenos útiles para el ser humano. Desde un punto de vista más intelectual está el problema siguiente: las cosas muy grandes están compuestas de cosas muy pequeñas, así que la teoría que las describa debería ser la misma. 



El problema de la medida

Como ya he dicho antes la Física Cuántica está considerada la mejor teoría científica de la humanidad. Su rango de acción es inmenso (desde las partículas elementales como el electrón, hasta los complejos fotosintéticos), no hay un solo resultado experimental que la contradiga y muchas cosas que se fabrican hoy en día es gracias a ella (cómo los láseres o los ordenadores). Sin embargo aún tiene una pequeña pega. 

El problema es que como ya expliqué en el post sobre la coherencia, los sistemas cuánticos pueden estar en varios estados al mismo tiempo. La evolución de estos sistemas viene dada por la archifamosa Ecuación de Schrödinger (no hace falta entenderla, sólo saber que existe)


Sin embargo cuando miramos al sistema no lo vemos en múltiples estados, lo vemos en uno sólo. ¿Cómo puede ser eso? Eso ocurre porque la misma física cuántica dice que al medir el estado encontraremos sólo uno de los estados con una cierta probabilidad. El problema ahora es ¿cuándo el sistema evoluciona mediante la ecuación de Schrödinger y cuándo no? La respuesta es que si está aislado lo hace mediante la ecuación y si algo lo mide pasa a estar en un sólo estado. 

El problema radica en la definición de "medir". Si un sistema cuántico evoluciona mediante la ecuación de Schrödinger cuando está aislado y yo considero la suma "sistema+aparato de medir" como un sistema en sí, debería evolucionar también mediante la ecuación, y eso no es lo que observamos. Esto ha dado muchos quebraderos de cabeza, como El Amigo de Wigner. También han surgido diferentes intentos de resolverlo, como la Interpretación de Muchos Mundos, que está a camino de la filosofía y la ciencia-ficción, o la interpretación de Zurek, reflejada en su libro Quantum Theory and Measurement

En mi opinión el tema sigue aún abierto y es uno de los más importantes del momento.




Unificación de las fuerzas

En el universo hay cuatro fuerzas, que sepamos, la fuerza electromagnética, la interacción débil , la interacción fuerte y la gravedad. Como ya de ha mencionado la fuerza eléctrica y la magnética fueron consideradas cosas diferentes hasta que Maxwell las unificó, algo así se espera que pueda ocurrir con todas las fuerzas. 

Ya hay bastantes indicios de que a ciertas energías la interacción débil se unifica con la electromagnética, formando lo que llamamos la interacción electrodébil, sin embargo las otras aún se resisten. Mencionar que la unificación de la gravedad con el electromagnetismo era el sueño de Einstein que no consiguió ver cumplido. Al igual que con la unificación de la física cuántica y la relatividad, esto también daría lugar a un marco nuevo donde estudiar nuevos fenómenos. 


Cálculo de las constantes fundamentales del Universo

Todas las teorías existentes tienen unas determinadas variables que sólo se pueden calcular en el laboratorio. Ejemplos son la velocidad de la luz en el vacío, la masa de los electrones o la constante de Planck. Las teorías realmente no son muy útiles si no les añadimos esa información extra que nos permite comenzar a calcular cosas. La cuestión es ¿por qué son cómo son? 

Hasta el momento no hay ningún método de calcular estas constantes, pero cada vez van siendo menos. A medida que surgen nuevas teorías se establecen relaciones entre unas constantes y otras, ahorrando así el tener que calcularlas todas. Sin embargo desde un punto de vista puramente fundamental la pregunta sigue abierta. Lo deseable sería poder tener una teoría que nos diera todos esos valores sin necesidad de calcularlos experimentalmente, pero hasta el momento no hay mucho. 


La masa y energía oscura

Por último un problema cosmológico. Si queremos calcular la masa que hay en las galaxias tenemos dos maneras diferentes. La primera es simplemente mirar con los telescopios, calcular el brillo de lo que vemos y a partir de ahí calcular la masa. La segunda manera es un poco más complicada, según las leyes de Newton o la Relatividad, podemos calcular la masa a partir del movimiento de las estrellas de la galaxia. Con esto podemos hacer un gráfico de la velocidad de las estrellas a medida que te alejas del centro de la galaxia y comparar. El resultado, pues que no coincide, de ahí el problema 


Fuente: Wikipedia

¿Cuál es la solución propuesta a este problema? La principal es la existencia de una materia que no podemos ver porque no interacciona con la luz, a esta hipotética materia se la denomina Materia Oscura. Hay muchos intentos actualmente para detectar esta materia oscura, pero hasta ahora no hay ningún resultado definitivo. También hay otras teorías alternativas, de las cuales la más famosa es la Teoría MOND, sin embargo la más aceptada es la materia oscura. 

Por otro lado gracias a las observaciones del telescopio Hubble se llegó a un resultado impresionante. Como ya era sabido entonces el universo se expande, como descubrió el mismo Hubble, y era de esperar que la gravedad iría frenando esa expansión lentamente, sin embargo el telescopio espacial dio un resultado sorprendente, el universo se acelera. La solución propuesta actualmente es similar a la de la materia oscura, la existencia de una energía oscura que introducida en las ecuaciones de Einstein de la gravedad dan lugar a esta reaceleración. 

Una pregunta lógica sería ¿y no podría ser un simple error de cálculo? Obviamente cuando se analizan las cantidades de materia y la aceleración del universo hay un margen de error, sin embargo los resultados son concluyentes: la mayoría del universo debe estar compuesto por materia y energía oscura. 


Fuente: Wikipedia

La cuestión seguirá abierta hasta que se detecte de alguna manera esta materia y energía oscura, o hasta que alguien invente una nueva teoría que no las necesite. Por el momento no está zanjada la cuestión.


Así que esto es todo, estas son en mi opinión las preguntas más interesantes de la física actual. Ahora resolverlas no es tan fácil como escribir sobre ellas, me temo. Si os animáis ahí están para todos. 

34 comentarios:

  1. Quillo esos son los problemas que salen en las revistas y que llaman la atención al gran público, pero pienso que hay otros que solucionar más básicos y que están primero...

    ResponderEliminar
  2. Muy interesante el artículo, gracias.

    ResponderEliminar
  3. fenomenal el post da muchísimo que pensar en todo, gracias

    ResponderEliminar
  4. Interesante y bastante claro.
    Gracias

    ResponderEliminar
  5. "Ya hay bastantes indicios de que ha ciertas energías..."

    Ese "ha" provoca dolor ocular... ;)

    ResponderEliminar
  6. Espero con ansiedad el de la teoría de cuerdas desde el puto de vista sociológico!
    es incontestable que M'ha encantao!

    ResponderEliminar
  7. Alguien que "odia" a los "putos sociologos" jajajaja.
    Yo soy peor tranquilo, ahora miro con cuidado pero meto la pata con los "qeu" :D.

    ResponderEliminar
  8. Muy buen artículo! Es de agradecer disponer de divulgadores hasta para los más novicios.
    Lástima ese "ha" que debería ser un "a", en la primera línea del segundo párrafo de Unificación de las fuerzas, como te indican más arriba.
    Nice blog!

    ResponderEliminar
  9. Gracias por el artículo.

    En relación al cálculo de constantes me gustaría saber, muy someramente, en que punto está la física ahora. En el artículo dedicas unas escuetas líneas que parecen aventurar una completa nada más allá de la formulación de la pregunta. Inclusive agradecería, si tuvieras constancia de ello, la recomendación de algún libro con un tratamiento más filosófico que físico sobre el tema de las constantes: tanto a tenor de su interpretación gnoseológica como de su existencia ontológica o cualquier otro tratamiento al uso en filosofía sobre las constantes físicas.

    Es un tema muy interesante sobre el que me gustaría seguir investigando. Doy por hecho que la filosofía de la ciencia ha tenido que polemizar mucho al respecto, así como los físicos os habréis devanado la sesera intentando convenir el estatus que deben conferírsele a las diferentes constantes (tal como la constante de Planck pasó de ser un mero artificio matemático a tener entidad propia, lo mismo con la constante cosmológica e imagino que con muchas otras)

    Confío en que me haya hecho entender.

    Un saludo.

    ResponderEliminar
  10. Me parece más util e interesante que lograran la fusion nuclear y se resolviera el problema energetico.

    Soy practico que le vamos a hacer.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Eso entraría en el epígrafe "grandes retos de la fsica aplicada"...

      Eliminar
  11. Quizá la Mecánica Cuántica debería reformularse. Que no es lo mismo que modificarla, puesto que da cuenta de las observaciones y permite realizar predicciones. El caso es que el problema parece venir de la función de ondas. Me pregunto si en la representación matricila de Heisenberg se da este mismo problema. Tal vez una reformulación haría desaparecer el problema del colapso de la función de onda y permitir la unión de la cuántica con la relatividad.

    ResponderEliminar
  12. Y ¿Qué es eso de antimateria que han conseguido crear durante 15 minutos en el LHC?

    ResponderEliminar
  13. Obtención de la hidrodinámica a partir de primeros principios, por ejemplo...

    ResponderEliminar
  14. Hatred Banner:

    Desee el punto de vista filosófico al problema de las constantes la respuesta más típica es el llamado Principio Antrópico. Viene a decir que las constantes son las que son porque si no no se habrían formado estrellas y no estaríamos aquí para discutirlo. Desde mi punto de vista como razonamiento científico es bastante insuficiente.


    etxondo:

    De ahí lo de "física teórica". En cualquier caso el problema de la fusión yo lo considero más de ingeniería que de física, porque el proceso se entiende a la perfección.


    Javier:

    La formulación de Heisenberg es equivalente a la de Schrödinger y se da el mismo problema. Si hay que reformularla debe ser de otra manera.


    johnball:

    Ese es un problema muy interesante, igual que en el de derivar la Ley de Fourier, que es donde trabajo yo, sin embargo no es muy probable que eso de lugar a una nueva teoría. Al menos siempre intentamos derivarlas a partir de las teorías ya existentes. Estos problemas que se plantean aquí son los que muy probablemente den lugar a nueva física.

    ResponderEliminar
  15. Entendimiento de procesos de no equilibrio, es que además de doctor en homeopatía y generar pseudociencias aleatorias, eres un sensacionalista de la ciencia....:P

    ResponderEliminar
  16. Pues eso no resuelve mi duda. En cuanto al Principio Antrópico es más una herramienta conceptual de los físicos que un principio metafísico como se quiere hacer creer. No me es de mucha ayuda.

    Sea como sea seguiré buscando, y si no encuentro ningún libro adecuado a mis necesidades pues tendré que terminar escribiéndolo yo mismo ;)

    ResponderEliminar
  17. Hatred Banner

    Hala, cuando lo publiques me avisas, seguro que me interesará mucho.

    ResponderEliminar
  18. Lo primero a cuestionarse es la percepción axiomática
    Hay teorías más plausibles que explican la gravedad desde el electromagnetismo y otras cosas, pero están siendo denostadas por la ciencia academizada, manejada por los intereses de las fuerzas económicas

    ResponderEliminar
  19. Bueno, teorías conspiranoicas no, por favor.

    Si tienes una buena teoría publícala y te llevarás un Nobel. Hay muchas revistas para ello y como entenderás no todas, ni todos los científicos del mundo pueden estar comprados.

    Por otro lado, ¿qué interes tienen las "fuerzas económicas" en que predomine una u otra teoría?

    ResponderEliminar
  20. Este comentario ha sido eliminado por un administrador del blog.

    ResponderEliminar
  21. Daniel no quiero entrar en guerras dualistas de ejes pensantes, estoy arto de eso, del maniqueísmo

    No acostumbro guardar link de interesentes, pero aquí te dejo uno
    http://www.tendencias21.net/Una-nueva-teoria-fisica-propone-revisar-la-naturaleza-del-tiempo_a204.html

    Bueno espero te dé otros puntos de vistas

    ResponderEliminar
  22. Muy interesante, para mi son los temas a descifrar más importantes para el ser humano, aunque haya gente que no pueda ver mas allá de los dedos de su mano.

    En cuanto a la unificación de la relatividad y la cuántica hay una teoria bastante aceptable aunque no demostrada, es la teoria M, teoria de la membrana, que dando por hecho que hay 11 dimensiones parece que cuadra todo, ¿habéis oido hablar de esta teoria?

    Un saludo y Gracias por estas aportaciones tan interesantes!

    Borchvm

    ResponderEliminar
  23. Pedro:

    Ese enlace precisamente es de un chaval que ha propuesto una nueva teoría y la ha publicado sin ninguna interferencia por parte de ningún interés económico. Si es buena saldrá adelante, si no ya se le encontrarán las pegas. Así es como funciona la ciencia.


    Borchvm:

    Precisamente sobre Teoría de cuerdas será el siguiente post.

    ResponderEliminar
  24. No hay peor pregunta que la que presupone una respuesta falsa.

    ResponderEliminar
  25. Gracias por "masticarnos" estos temas a profanos como yo.
    Un saludo.

    ResponderEliminar
  26. Gracias por hacer "fácil" lo difícil. No es sencillo. Eso es tener capacidad para enseñar.

    ResponderEliminar
  27. Mejor pasamos del tema ciencia/economía es farragoso y tiene que ver con otras causas macro-sociales. Equilibrio ecológico, control de energías y pretensiones humanas. Además estoy desganado para estos debates, imposibles de mantener sin alusiones despóticas.

    Aquí otro link, aunque cuando empecé a leer esto le atribuí poca veracidad, (ya sabes magufadas), pero después de dar vuelas al asunto tomó otra perspectiva. Ésta teoría está muy despreciada, pero da explicación a ciertas cuestiones.

    http://www.holoscience.com/synopsis.php

    ResponderEliminar
  28. Me alegro mucho de haber encontrado una divulgación de la ciencia en castellano.
    Tengo mucho interés en leer el próximo artículo sobres la Teoría de Cuerdas.
    Enhorabuena!!

    ResponderEliminar
  29. creo yo humildemente que el extraño y sorprendente aumento de temperatura en la corona del sol es precisamente la prueba de la existencia de la energia oscura

    ResponderEliminar
  30. Muchas gracias por el tiempo que te has tomado para escribir. En mi opinión, artículos como el tuyo forman parte del paradigma de la utilidad de Internet.

    ResponderEliminar

Agradecemos mucho tu opinión, pero comentarios difamatorios, insultantes o con ánimo de ofender, trollear o spamear serán eliminados. Tampoco se aceptan comentarios anónimos.