En busca de la Unificación






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En busca de la Unificación

Introducción



Albert Einstein después de alcanzar los más grandes honores en el campo de la física, que solo se pueden comparar a los que brindo la comunidad científica a Isaac Newton, dedico los últimos años de su vida al empeño de reunir en una sola gran teoría las fuerzas de la naturaleza; la gravedad, el electromagnetismo y otras que en su época no habían sido muy estudiadas. Einstein se vio motivado por la atrayente lógica de los resultados muy exitosos de su Teoría General de la Relatividad, la cual demostraba que la atracción gravitatoria que ejerce un cuerpo se debía a la hondonadacion que ejercía este en el espacio-tiempo, por lo cual se deslizaba hacia el cualquier otro cuerpo cercano al causante de la hondonada.

Teoría de la Unificación

Este concepto se dé Teoría de la Unificación o Teoría del Todo toma lugar de una de una casual y vieja idea conocida como la famosa expresión de Laplaceque dice lo siguiente:

Un intelecto que en un cierto momento podría conocer todas las fuerzas que establece la naturaleza en movimiento, y todas las posiciones de todos los temas que esa naturaleza compone, si ese intelecto fuera también tan suficiente para presentar esos datos en un análisis, que pueda unir en una simple fórmula los movimientos de los grandes cuerpos del universo y lo muy pequeño del átomo; para ese tipo de intelecto nada será incierto y el futuro como el pasado sería el presente para esos ojos

Essai philosophique sur les probabilités, introducción. 1814


Aunque esto puede ser citado como determinista, en una "simple formula" puede todavía existir si la física es fundamentalmente probabilista, como dice la moderna mecánica cuántica.

Desde la antigüedad griega, los filósofos han especulado que la aparente diversidad de apariencias que una profunda unidad, y que la lista de las fuerzas pueda ser acortada, de hecho que pueda tener una sola entrada. En el siglo XVII la filosofía mecánica propuso que todas las fuerzas podrían reducirse a una fuerza de contacto entre pequeñas partículas solidas, lo cual se abandonó

Después de la aceptación de las fuerzas gravitacionales a larga distancia propuestas por Isaac Newton. Pero al mismo tiempo el trabajo de Newton, llamado Principia, suministro la primera evidencia más dramática y empírica de la unificación de fuerzas que en ese momento parecían diferentes, con las leyes de Kepler del movimiento planetario, el trabajo de Galileo en la gravitación terrestre y los fenómenos de mareas fueron todas cuantitativamente explicadas por una simple ley, llamada de “la gravitación universal”. En 1820, Hans Christian Oersted descubrió una conexión entre la electricidad y el magnetismo, muchas décadas de trabajo culminaron en la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell. A finales de 1920, contradiciendo a Dirac que había formulado que las leyes físicas necesarias para la teoría matemática de una gran parte de físicos y químicos eran entonces completamente conocidos, la nueva mecánica cuántica mostró que las interacciones químicas se trataban de fuerzas eléctricas (cuánticas). Los intentos de unificar gravedad con el magnetismo se remontan hasta el año de 1849-50 con los experimentos de d:\mis imágenes\unifica.jpg

Michael Faraday Después de la teoría gravitatoria (relatividad general) de Einstein publicada en 1915, la búsqueda de una teoría del campo unificado que combine gravedad con

Electromagnetismo se torno más seria. Grandes contribuciones fueron hechas por personajes de la física como Gunnar Nordstrom, Hermann Weyl, Arthur Eddington, Theodor Kaluza, Oskar Klein, y la más notable dada por Einstein y sus colaboradores, pero ninguna de estas propuestas tuvieron éxito y a su vez se hizo plausible el decir que no existían más fuerzas fundamentales.

Todo lo anterior fue interrumpido por el descubrimiento de las fuerzas débil y fuerte, que son en primer lugar la Fuerza Débil es la responsable de la desintegración de partículas y núcleos atómicos en los fenómenos radioactivos, y la Fuerza Fuerte que es la responsable de que los quarks se unan formando protones y neutrones y de que estos se acoplen en el núcleo atómico. Estas dos no podían ser agregadas dentro de la gravedad o el electromagnetismo. Otro obstáculo fue la aceptación que la mecánica cuántica tuvo que ser incorporada desde el inicio, no emergió como una consecuencia de la determinantica teoría unificada, como Einstein esperaba. Gravedad y Electromagnetismo pueden siempre coexistir pacíficamente como tipos de fuerzas de Newton, pero por otra parte y por muchos años se ha observado que la gravedad no puede incluirse en al área cuántica, dejándola sola al unificarse con otras fuerzas fundamentales. Por esta

Razón en el siglo XX este trabajo de unificación se focalizó en entender las tres fuerzas "cuánticas", el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débiles y fuertes. Las dos primeras fueron unificadas en 1967-8 por Sheldon Glashow, Steven Weinberg, y Abdus Salam. Las fuerzas fuertes y la electrodébil coexisten en el modelo estándar de partículas, pero se mantienen distintas. Muchas teorías unificadas han sido propuestas para unificarlas. Aunque la simpleza de estas teorías desagradablemente han sido descartadas en la experiencia, la idea general, especialmente cuando se vincula con las supersimetrias, que según el modelo estándar (SM, por sus siglas en inglés) de la física de partículas, la supersimetria consiste en que, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones), mientras que las partículas que transmiten las dos interacciones fundamentales de la naturaleza (interacción fuerte e interacción nuclear electrodébil) son bosones. La supersimetría extiende el número de partículas del SM de forma que a cada partícula le corresponde una compañera supersimétrica denominada súper compañera. Así, cada bosón tiene una súper compañera fermión y viceversa. Hoy en día se conocen tres fuerzas, la Fuerza Gravitatoria, La fuerza Electrodebil (unificación entre la fuerza electromagnética y la fuerza débil) y la Fuerza Fuerte. En el siguiente grafico se muestra como está constituida hoy en día y como se organizan las diferentes fuerzas que rigen la naturaleza llegando hasta la teoría del todo y la unificación de todas ellas.

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Por otra parte y para concluir, Einstein animado por la sencillez y la elegancia de su teoría decidió ensayar la explicación de la fuerza Electromagnética también mediante posibles variaciones de la geometría espacio-tiempo, con la frustración de no lograrlo pero haber dejado un gran paso en este campo, algunos otros científicos tales como Kaluza y Klein en 1919 y otros como Jhon Wheeler un poco más cercanos a nuestros tiempos, alentados por estas teorías Einstenianas, dieron su aporte a la geometrizacion en la física de lo cual ha surgido una prometedor a teoría llamada “Teoría de las cuerdas”, la cual afirma que todos los bloques de materia son en realidad expresiones de un objeto básico unidimensional extendido llamado “cuerda” o “filamento”, la cual además de moverse puede oscilar de diferentes maneras, esto hace que al oscilar de cierta manera en el ambiente macroscópico veríamos un electrón, además ayudando a acercarse a lo que estipula la Mecánica Cuántica sobre la curvatura del espacio-tiempo que en virtud del principio de incertidumbre deben aparecer a escala microscópica. Esta teoría es hoy en día la que más se ha acercado al ambicioso sueño que tenia Einstein de unificar todas las fuerzas que existían en el universo.


AGUJEROS DE GUSANO ¿EL VIAJE EN EL TIEMPO ESTA CERCA?

Introducción

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En realidad no se sabe que ocurriría si alguno de nosotros callera directamente en un agujero negro, podría ser que bajo estas condiciones le ocurrieran sucesos aun mas extraños a el espacio, algo muy parecido a lo que ocurrió al comienzo del universo y algunos científicos creen en la posibilidad de que se pudiera evitar la singularidad dele espacio tiempo y poder entrar por uno de estos vórtices de agujero negro y salir en otro lugar del espacio. Las leyes fundamentales de la física establecen que en el centro de un agujero negro existe una singularidad, una región donde el espacio y el tiempo se deforman de manera infinita, en donde cuando entra la materia se destruye completamente. Pero la pregunta es, si ¿sesto tiene que ser así necesariamente?, la conjetura de que si manipulando los agujeros negros se pudiera viajar por el espacio y el tiempo y burlar todas las leyes de la física de una manera completamente voluntaria, se


ha convertido en hechos que solo son tocadas en la ciencia ficción. Pero ¿que sucedería si en verdad estos agujeros se pudieran manipular y unir dos de ellos para formar un “agujero de gusano”?. Esto lo han trabajado muchos científicos sabiendo que estos “Agujeros de Gusano ”son sumamente extraños, imaginándonos una conexión entre dos agujeros conectados por una especie de túnel el cual no está en nuestro espacio, estaría en un híper espacio que se encontraría en otra dimensión distinta a la de nosotros. Para hacer esto tendíamos que variar el espacio-tiempo a nuestro antojo, curvándolo hasta el punto en que se empezara a formar un agujero negro pero sin que llegase a existir una singularidad, luego se uniría la boca de este túnel con otra distinta por medio de un tubo continuo a través de un hiperespacio, el segundo paso sería mover uno de los agujeros hasta el punto donde uno quisiera viajar. Pero lo anterior es muy poco factible por la fragilidad que presenta este túnel y cuando nuestro viajero tratar de cruzarlo se colapsaría por completo, pero se podría tratar de crear la tecnología suficiente para mantener la estabilidad del túnel para que fuera mucho más viable el hecho de poder viajar de una galaxia a otra en unos pocos segundos.

Agujeros de Gusano. Para comenzar con nuestro análisis científico sabemos que un “agujero de gusano”, es un agujero negro supermasivo que cuya enorme gravedad en teoría abre una puerta a través del espacio-tiempo. A diferencia de los agujeros negros, estos podrían tener una entrada y una salida conectada por un túnel hiperespacial. El termino de “Agujero de Gusano” fue introducido por un científico en el año de 1957 llamado John Wheeler, utilizando la siguiente analogía para explicar este fenómeno; imaginémonos que el universo es la cascara de una manzana y un gusano se arrastra en su superficie. La distancia que recorre el gusano desde un lado de la manzana hasta el otro es igual a la mitad de la circunferencia si el gusano permanece sobre la superficie de esta. Pero si en vez de que hiciera esto, cavara un agujero directamente a través de la manzana la distancia que tendría que recorrer el gusano es mucho menor y considerablemente más corta, recordando la afirmación que dice que la distancia más cercana entre dos puntos es una línea recta.

La teoría de los agujeros de gusano se remonta a 1916, poco después de que Einstein publicase su teoría general, cuando Ludwig Flamm, un físico Vienés desconocido, se fijó en la más simple y teórica forma posible de un agujero negro (el agujero negro Schwarzschild ) y descubrió que las ecuaciones de Einstein permitían una segunda solución, ahora


conocida como agujero blanco, que se encuentra conectado a la entrada del agujero negro por un conducto de espacio tiempo. La “entrada” del agujero negro y la “salida” del agujero blanco podrían estar en diferentes partes del mismo universo o en diferentes universos. En 1935, Einstein y Nathan Rosen estudiaron más a fondo la teoría de las conexiones intra- o inter-universo en una presentación, cuyo propósito era el de explicar las partículas fundamentales, tales como electrones, en términos de túneles de espacio-tiempo unidos por líneas de fuerza eléctricas. Esto dio paso al nombre formal de puente Einstein-Rosen a lo cual más tarde y como habíamos dicho anteriormente, el físico John Wheeler se referiría como “agujero de gusano”.


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Existen dos tipos primordiales de agujeros de gusano, los agujeros de gusano del intra-universo y los agujeros de gusano del inter-universo. En primer lugar, los agujeros de gusano del intra-universo son básicamente la conexión entre un posición de un universo con la misma posición del mismo universo, lo cual podría ocurrir en el mismo tiempo actual o en otro tiempo ya sea futuro o pasado. Un agujero de gusano debería poder conectar posiciones distantes del universo por plegamientos espaciotemporales, permitiendo viajar entre ellas en menor tiempo del que tomaría hace el vieja a través de espacio normal. En segundo lugar están los agujeros de gusano del inter-universo, que

asocia a un universo con otro completamente diferente, lo cual también se le denomina como agujero de gusano de Schwarzschild. Esto nos permitiría especular si tales agujeros de gusano podrían usarse para viajar de un universo a otro paralelo, además otra aplicación de un agujero de gusano podría ser el viaje en el tiempo, en ese caso sería un atajo para desplazarse de un punto espaciotemporal a otro diferente.

Complementando lo anterior, sabeos que los agujeros de gusano de Schwarzschild, son vínculos de área que unen aéreas del espacio que pueden ser modeladas como soluciones de vacío de las ecuaciones de campo de Einstein, por la unión de un agujero negro y un agujero blanco. Esta solución se hallo en 1935 por Albert Einstein y su colega y colaborador Nathan Rosen. Pero luego en 1962, Wheeler y Fuller publicaron un artículo en el cual demostraban que este tipo de agujeros de gusano serian completamente inestables y que se desintegraría por completo al momento en que tomara forma y se crease.

Dejemos ahora de lado los viajes por el espacio y examinemos con algún detalle las posibilidades de viajar hacia el futuro o el pasado. Desde el punto de vista de la Relatividad Especial, es factible viajar hacia el futuro utilizando el fenómeno de dilatación temporal que esta teoría predice. Para discutir este fenómeno con un poco más de detalle imaginemos que existen dos observadores, o mejor, dos sistemas de referencia inerciales (ver glosario). En el sistema asociado con la partícula, el intervalo espacio-temporal entre dos eventos coincide con el lapso de tiempo medido por un reloj. Dicho intervalo se llama tiempo propio. Mediante la ecuación que define la distancia entre dos eventos, la Relatividad Especial nos muestra que el tiempo medido en la coordenada propia es siempre menor que el tiempo medido por el observador no acelerado. La relatividad especial sólo tiene aplicación localmente. Los agujeros de gusano, permitirían teóricamente el viaje superluminal (más rápido que la luz) asegurando que la velocidad de la luz no es excedida localmente en ningún momento. Al viajar a través de un agujero de gusano, las velocidades son subliminales (por debajo de la velocidad

de la luz). Si dos puntos están conectados por un agujero de gusano, el tiempo que se tarda en atravesarlo sería menor que el tiempo que tarda un rayo de luz en hacer el viaje por el exterior del agujero de gusano. Sin embargo, un rayo de luz viajando a través del agujero de gusano siempre alcanzaría al viajero. A modo de analogía, rodear una montaña por el costado hasta el lado opuesto a la máxima velocidad puede tomar más tiempo que cruzar por debajo de la montaña a través de un túnel a menor velocidad, ya que el recorrido es más corto.

La mayoría de las soluciones conocidas de la relatividad general que permiten la existencia de agujeros de gusano atravesados requieren la existencia de una sustancia teórica de densidad negativa de energía, aunque no ha sido matemáticamente probado que éste sea un requisito obligatorio para este tipo agujeros de gusano, ni ha sido establecido que la materia exótica (energía negativa) no pueda existir. De hecho, se conoce una manera de producir energía de densidad negativa: el efecto Casimir. Según la teoría de la relatividad general, si se pueden mantener abiertos los agujeros de gusano mediante material exótico, el viaje en el tiempo viene condicionado por el mismo momento de la creación del agujero. No se puede viajar a un tiempo anterior a la propia creación del agujero

de gusano. Por supuesto hay muchos intereses creados en torno a estos objetos hasta tal punto que a veces no se sabe distinguir entre la realidad y la ficción. Con esto quiero decir que hasta que no se demuestre lo contrario, los agujeros de gusano no son reales y por lo tanto no podemos saber más cosas de "algo que no es real". De hecho mucha gente piensa que estos objetos son, en parte, invención de directores de cine y escritores de ciencia ficción.

Retomando todo lo anterior y para concluir podemos afirmar que algunos físicos se han preguntado si los agujeros negros o los agujeros de gusano podrían ser usados algún día como atajos a otro sector del Universo, o incluso como una máquina del tiempo al pasado lejano. Sin embargo, advertimos que somos escépticos. La crítica reconoce que se han encontrado cientos de soluciones de agujeros de gusano a las ecuaciones de Einstein. Pero apuntan que los agujeros de gusano pueden ser inestables, o que su intensa radiación y fuerzas subatómicas que rodean la entrada del agujero de gusano matarían a cualquiera que se atreviese a entrar. Se han provocado enérgicos debates entre los físicos sobre el tema de los agujeros negros. Por desgracia, esta controversia no puede ser resuelta, debida a que las ecuaciones de Einstein se colapsan en el centro de los agujeros negros o agujeros de gusano, donde la radiación y las

fuerzas subatómicas pueden ser lo bastante feroces como para colapsar la entrada. El problema es que la teoría de Einstein solo funciona para la gravedad, no para las fuerzas cuánticas que gobiernan la radiación y las partículas subatómicas. Lo que se necesita es una teoría que abarque tanto la Teoría Cuántica de la Radiación como la gravedad de forma simultánea. En una palabra, para resolver el problema de los agujeros negros cuánticos, ¡necesitamos una “Teoría del Todo”!.

Índice

  1. En busca de la Unificación

  2. AGUJEROS DE GUSANO ¿EL VIAJE EN EL TIEMPO ESTA CERCA?

Referencias Bibliográficas

1. Introducción a la física moderna. Mauricio García. Universidad Nacional de Colombia. 2003.

2. Física. Serway Mc Graw Hill. Tomo II, cuarta edicion, 1997.

3. file:///D:/fisica5.htm

4.http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_del_todo

5. http://es.wikipedia.org/wiki/Agujero_de_gusano

6.http://www.astroseti.org/vernew.php?codigo=280

AUTOR:

Leonardo Castro Pérez

Ingeniero Civil de la Universidad Nacional de Colombia

EDITOR:

Jaime Villalobos

Profesor de Física de la Universidad Nacional de Colombia.


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