Los grandes problemas de la física experimental actual

Como ya expliqué anteriormente los problemas que considero se encuentran en la vanguardia de la física teórica creo que es justo que haga lo mismo para nuestros compañeros los experimentales. Así que aquí está la lista de los problemas más interesante, en mi opinión, de la física del momento.

Ondas gravitacionales

Como ya hemos hablado en post anteriores la Relatividad General es una de las teorías más satisfactorias de la actualidad. Con ella se explican infinidad de sucesos experimentales, como la órbita de Mercurio, la dilatación temporal debido a la gravedad o las lentes gravitacionales. Sin embargo hay un fenómeno que la teoría  predice y que aún no ha sido observado, las Ondas Gravitacionales.

Según la teoría estas ondas se originarían cada vez que un cuerpo con masa se acelera y serán más grandes cuanto mayor sean la masa y la aceleración. Por supuesto los principales candidatos a generarlas serán estrellas u otros cuerpos en órbita. Igualmente se espera que la formación de un agujero negro origine unas ondas gravitacionales considerables. 

Ondas gravitacionales originadas por dos cuerpos masivos en órbita. Fuente: Muy Interesante.

Hay considerables esfuerzos ya en marcha para detectar este fenómenos. El más importante es, probablemente, el experimento LIGO en EEUU. Hay también proyectos en Europa (Geo600) y Asia (el TAMA300). 

Básicamente la detección de este fenómeno, de darse, vendrá dada por el siguiente hecho: las ondas gravitacionales varían el tamaño de los objetos cuando pasan a través de ellos. Para detectar esto se construyen enormes interferómetros con dos brazos perpendiculares y se intenta observar esa diferencia. Como estas ondas se origina muy lejos de la Tierra este efecto es muy pequeño (del orden de $10^{-18}$ metros, mucho menos que el tamaño de un átomo de hidrógeno) y es muy difícil de detectar.

Esquema para la detección de ondas gravitacionales. Fuente

Hasta la fecha todas las medidas directas han fallado, pero hay medidas indirectas que parece indicar la existencia de este fenómeno, como el cambio en la órbita de quásares que orbitan de manera muy rápida. En cualquier caso seguimos esperando la medición correcta.

Computación cuántica

Este es mi punto favorito, ya que es el que más tiene que ver con mi trabajo. Como ya expliqué en un post anterior los ordenadores cuánticos nos permitirían hacer cosas que hoy en día ni siquiera imaginamos, el problema es como construir ordenadores cuánticos. 

La principal dificultad viene del hecho de que las propiedades de los sistemas cuánticos, como la coherencia o el entanglement, son muy frágiles y desaparecen debido a la interacción del sistema con el entorno. Esto hace que no vivan lo suficiente como para poder hacer cálculos con ellas. 

Por ahora hay diferentes caminos que se toman para conseguir este propósito. Uno de los principales es el iniciado por el español Ignacio Cirac, junto con Peter Zoller, que consiste en manipular átomos individuales mediante láseres (para interesados este es el artículo que lo inició todo). Esta técnica consiste principalmente en crear un casi-vacío en una caja y atrapar unos pocos átomos mediante láseres, esto se denomina técnicamente optical lattice, luego a esos átomos mediante la aplicación de otros láseres se les cambia el estado para conseguir lo que uno quiera. 

Una optical lattice según la Wikipedia.

Otras aproximaciones que se hacen a este problemas es mediante el estado cuántico de los fotones, las partículas de la luz. En este campo es Anton Zeilinger uno de los principales investigadores. Básicamente en este caso hay que producir fotones de uno en uno y luego combinarlos y cambiarlos mediante diferentes combinaciones de cristales y espejos, finalmente hay que usar detectores que funcionen con un sólo fotón. Esto como es imaginable no es una labor sencilla. 

Tanto átomos como fotones tienen sus pros y sus contras, los primeros tienen una vida más larga y los segundos son más rápidos a la hora de transportarlos. Sin embargo el como conseguir un ordenador cuántico sigue abierto.

También hay otras posibilidades abiertas, como mediante resonancia magnética nuclear, puntos cuánticos  o superconductores. Cual será la tecnología final aún no lo sabemos. 

Bosón de Higgs y dimensiones extra

Estos dos asuntos son muy diferentes pero están también muy relacionados. El bosón de Higgs es la última pieza que falta por encontrar del rompecabezas del Modelo Estándar de la Física de Partículas. Este modelo está muy bien ensamblado y explica todas las partículas existentes pero aún no resuelve el problema de por qué tiene masa. Para esto se añadió una partícula más que es la que le da la masa a todas las demás. 

Ilustración del funcionamiento del bosón de Higgs. Esta partícula (aquí representada por un científico importante), aglutina toda la masa alrededor suya. Autor: David Miller. 

El segundo problema que menciono es el de las dimensiones extra. Como ya expliqué brevemente en el post sobre la teoría de cuerdas, muchas nuevas teorías unificadoras añaden más dimensiones al espacio de las que conocemos. Todo esto será puramente especulativo a menos que se descubran efectos de estas dimensiones o se observen directamente. Podéis preguntaros cual es la relación entre estos dos fenómenos, el bosón de Higgs y las dimensiones extra, pues es muy sencillo: de encontrarse se encontrarán en el mismo sitio, en un acelerador de partículas. 

Los aceleradores de partículas, como su propio nombre indica, sirven para acelerar partículas y luego hacerlas colisionar. La cuestión es que el bosón de Higgs (de existir) necesita una gran energía para detectarlo, por otro lado las dimensiones extra son muy pequeñas y para detectarlas (si existen también) hace falta una energía muy grande. Por eso en los aceleradores se espera descubrir ambas. 

Sólo mencionar que sin duda el acelerador más importante del momento es el LHC, construido en el CERN. Este está en un túnel circular de 27 km y se espera que consiga colisiones de protones de hasta 14 Tera-electronvoltios (muchísima energía). Aún no tiene ningún resultado definitivo, pero sin duda arrojará bastante luz sobre estos asuntos.

Parte del túnel del LHC

Materia oscura

Como ya expliqué en el post sobre los grandes problemas de la física teórica actual, la materia oscura es un asunto que sigue dando quebraderos de cabeza. La relatividad y la mecánica de Newton predicen que debe estar ahí, pero aún no he ha observado directamente. Obviamente este problema estará abierto hasta que no se detecte la materia oscura o se construya una teoría que no la necesite. 

La cuestión principal es que esta materia, si existe, debe interaccionar muy poco con el resto de la materia y la luz. Si interaccionara fuertemente la habríamos detectado ya hace mucho, así que los detectores deben ser muy grandes (para maximizar la probabilidad de alguna interacción) y deben esperar bastante tiempo. Un gran problema de estos detectores suele ser diferenciar las detecciones correctas de otras partículas tales como neutrinos o rayos cósmicos. Para reducir estos efectos al mínimo muchos laboratorios se encuentran bajo tierra. 

Definición de kilogramo

Este último problema puede parecer bastante simple y poco "cool" al lado de los demás, pero es muy importante. Si miramos en Wikipedia la definición actual de kilogramo nos encontramos con: "la masa que tiene el prototipo internacional, compuesto de una aleación de platino e iridio, que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) en Sèvres, cerca de París (Francia)."

Esta definición nos debe parecer rara si la comparamos, por ejemplo, con la de metro que es: "distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de 1/299.792.458 de segundo".

La diferencia es que mientras la definición de metro es objetiva y se basa en principios físicos verificables por cualquiera y universales, la de kilogramo se basa en una muestra. Esto es un problema por dos motivos, primero la muestra no está accesible a todos, por lo que se crearon diferentes modelos para cada país, a partir de estos se crean otros modelos y así sucesivamente por lo que hay un error que se va propagando. Además hay un problema más fundamental, esta muestra cambia con el tiempo, se desgasta por lo que un kilogramo de hoy no será un kilogramo dentro de 100 años y esto sí que es inadmisible (aquí una noticia al respecto). 

El Patrón Nacional de kilogramo de los Estados Unidos es el que actualmente rige como medida estándar en ese país. Se implantó en1889 y es revisado y vuelto a certificar de forma periódica a partir del estándar internacional primario, que se encuentra en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (Francia).  Fuente: Wikipedia.

Para solucionar esto se optó por explorar dos caminos diferentes, uno consiste en definir el kilogramo en función de la masa de un átomo natural. En esta dirección el problema se reduce a contar el número de átomos que tiene una esfera de aproximadamente un kilogramo de silicio o carbono y así relacionar la masa del átomo de silicio con el kilogramo. Esto puede parecer trivial pero no lo es en absoluto, está el problema de hacer la esfera perfecta, que no haya impurezas y que que no haya isótopos diferentes que contaminen la muestra. Hay para ello un proyecto denominado El Proyecto Avogadro. 

La segunda opción consiste en ponerlo como función de la constante de Planck o la masa del electrón. Con un dispositivo muy novedoso, llamado Balanza de Watts se puede medir un peso mediante esta definición y la medida de una corriente eléctrica. Recientemente en la  Conferencia General de Pesas y Medidas se consensuó que este es el mejor camino para redefinir el kilogramo, pero hasta que no se apruebe una nueva definición todas las opciones siguen abiertas.

La balanza de Watt del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). 

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.