miércoles, 1 de junio de 2016

Nada de Nada y el universo 1 #Cuentos Cuánticos #noticias


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La nada es un concepto que me ha resultado atractivo desde mis tiempos mozos. Tal vez tuve la suerte de tener unos profesores de filosofía que me mostraron como ese concepto ha sido central en muchos de los edificios conceptuales filosóficos desarrollados a lo largo de la historia.  Pero lo más alucinante es que la nada también tiene un papel en física.

Que en física tenga sentido tratar sobre la nada me resulta sorprendente porque la física se ocupa de lo físico, de lo que es algo.  Y sin embargo, la nada importa.

Lo que más me fascina del concepto de nada en física es la posibilidad de que todo nuestro universo, sea lo que sea eso, no sea más que una expresión complicada de la nada más absoluta.  Creo que mi sorpresa se resume bien en este tuit:

No sabemos si el universo tuvo un origen o no, pero todo es compatible con su aparición desde la nada absoluta. La nada, no el vacío-LA NADA

— Cuentos Cuánticos (@Cuent_Cuanticos) May 29, 2016

En unas entradas de blog es difícil, por no decir imposible, expresar todo lo que encierra una afirmación de ese tipo pero lo voy a intentar.  La verdad es que llevo tiempo escribiendo sobre el tema y espero que algún día aparezca un libro con mi postura personal sobre el asunto.  Aquí voy a dar las pinceladas más básicas de mi postura frente a la nada y la física y sobre la posibilidad de que nuestro universo haya surgido de la nada como si nada.

Leed y criticad cuanto gustéis porque esta entrada no es sobre física establecida, esta entrada es sobre lo que yo pienso.  Por supuesto que espero que lo que yo pienso esté sustentado en la física que yo conozco pero eso no implica que no pueda estar totalmente equivocado.  Espero dejar claro a lo largo del texto qué partes son física establecida, qué partes son elucubraciones y qué partes son bonitas posibilidades.

Definamos nada

nada

La nada ha sido tratada en filosofía con gran profusión y se han dado muchas definiciones de la misma. Para aquellos curiosos que quieran tener una idea aproximada de sus distintas definiciones y encarnaciones les recomiendo dos lecturas:

La nada –  En la enciclopedia de filosofía de Stanford

La nada y la existencia de Jim Holt –  Un fantástico libro que se dedica a desgranar el sentido o sin sentido de la famosa pregunta -¿Por qué hay algo en lugar de nada?-.

Mi definición

Dado que este es mi blog y que esta es mi entrada es justo que exponga mi definición sobre la nada:

La nada es definida por no espaciotiempo, no campos, no partículas, no energía, no leyes de la física. Nada.

Así que ha de quedar claro que cuando pienso en la nada pienso en esos términos. La nada es nada, no espaciotiempo, no campos, no leyes de la física. Y por supuesto, la nada no es el vacío que nuestro conocimiento nos ha llevado a descubrir que es algo bastante animado.

¿Puede la física lidiar con la nada?

Por supuesto que puede.  Podemos caracterizar la nada matemáticamente.  La matemática, y esto es una opinión personal, no es más que un lenguaje en el que expresamos nuestras ideas más profundas y nuestros sueños más alocados.  Es la forma más precisa que conocemos de formular nuestras afirmaciones y de comprobar si son consistentes con un conjunto de ideas previas que elegimos como punto de partida.

Al hablar de la nada le asignamos propiedades que esencialmente es la ausencia de cualquier propiedad.  Curiosamente, la ausencia de cualquier propiedad equivale a la posibilidad de tener cualquier propiedad.  Esta es una idea que me inquieta pero de la que tenemos una evidencia directa, más o menos, en nuestra vida.  Cualquiera que tenga afición por las películas o por las series de abogados sabrá que hay dos formas de no dar nada de información.  Por un lado podemos ocultar la información completamente y por otro lado podemos dar toda la información posible.  Ambas situaciones nos llevan a la misma posición, no tenemos ninguna información en absoluto. Lo sé, es una metáfora un poco alambicada pero creo que la idea es asumible y es importante para lo que sigue.

Matemáticamente hablando no hay ningún problema en trabajar con la nada. El cero o el conjunto vacío son solo dos de las formas posibles de expresar la nada en matemáticas.  Estos objetos tienen propiedades, matemáticas, que son las que definen la propia nada.

Por lo tanto, no veo ningún problema en tratar la nada desde el punto de vista de la física.

Leyes de la física

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Creo que la afirmación:

En la ciencia física confiamos

Es una frase muy acertada.  En la ciencia, y en física en particular, confiamos porque vamos comprobando nuestros modelos en nuestros experimentos y nuestras observaciones.  Sí, es confianza pero no es ni de lejos fe. No es una cuestión de fe es una cuestión de que podemos ir explicando fenómenos y prediciendo nuevos hechos que luego intentamos poner a prueba en nuestros experimentos y en nuestras observaciones. Todo esto está fundamentado en leyes, patrones que determinan el comportamiento de los sistemas y que están fuera de toda discusión. O no.

La palabra ley es una palabra peligrosa porque parece que nuestra forma de entender la naturaleza está dictada, pre-escrita en algún mundo ideal por algún legislador ideal.  Y justamente, lo que nos indica la física es que ese no es el caso. Eso que llamamos leyes de la física solo tienen validez en determinadas condiciones, no son universalmente válidas en un formato dado y no están forzadas a ser como son, podrían haber sido de otra forma.

El ingrediente esencial de la física

De una forma poco educada podría resumir mi sentimiento acerca de la esencia de la física con el siguiente tuit:

La física es la ciencia que estudia las consecuencias de la afirmación:

Al universo tu punto de vista le importa un mojón.

— Cuentos Cuánticos (@Cuent_Cuanticos) May 27, 2016

La versión más educada y más acertada de expresar este sentimiento vino de la mano de los trabajos de la matemática alemana Emmy Noether.  Aquí dejo una entrada sobre su trabajo:

Emmy Noether, la mujer que nos enseñó a repensar la física

El punto clave de los trabajos de Noether relevantes para la física es que da igual como definas la física, da igual en qué punto del espaciotiempo te encuentres, da igual cómo te estés moviendo, da igual qué hora marque tu reloj.   Con esas ideas, trabajadas adecuadamente, obtenemos dos consecuencias fundamentales:

1.-  Hay cantidades conservadas, cantidades cuyo valor total en cualquier proceso permanece constante.  Se pueden repartir de diferentes formas o se pueden convertir en diferentes manifestaciones de dichas cantidades, pero su suma permanece constante.  Es lo que ocurre con eso que llamamos Energía.  La energía no es más que la manifestación de que la física es insensible a la hora que marque tu reloj para estudiar la física.  Ni más, ni menos.

2.-  Una consecuencia menos conocida es que estos argumentos nos dicen que las interacciones han de existir.  Es decir, los trabajos de Noether y sus consecuencias nos permiten entender la existencia de la masa de las partículas, de su espín, de su carga eléctrica, de su carga de color, de su carga débil.  Esas cargas son las que permiten sentir las interacciones, el electromagnetismo, la interacción débil, la interacción fuerte.

Así que Noether nos enseñó una buena lección:

Si tu punto de vista no importa entonces hay cantidades conservadas y hay interacciones.  Es decir, hay física.

Esa es una profunda e importante idea porque cualquiera de sus manifestaciones depende en última instancia de la existencia de un soporte, del espaciotiempo. Y aquí por espaciotiempo entiendo un soporte en el que podemos aplicar el teorema de Noether.  Es decir, ha de ser válido tanto a un nivel clásico como a un nivel cuántico.  Por lo tanto, la física no existe sin soporte.  Lo que denominamos leyes de la física es una manifestación de nuestra irrelevancia dentro del soporte o espaciotiempo (clásico o cuántico).

Podemos restringir la irrelevancia de nuestro punto de vista a distintos casos y con ello encontraremos distintas manifestaciones de la física.  Pongamos unos ejemplos.

Supongamos que lo único que consideramos irrelevante es nuestra velocidad siempre que esta sea constante y nos movamos en línea recta.  Supongamos además que no hay cargas eléctricas, no hay electromagnetismo. Si la física ha desdeñar nuestro punto de vista en estas condiciones, es decir, tiene que ser la misma para todos los que se muevan en línea recta y a velocidad constante acabaremos con eso que se llama física Newtoniana.

Supongamos que hay cargas cargas e interacciones y exigimos que la física sea insensible a la descripción que pueda hacer cualquiera que se mueva en línea recta y a velocidad constante.  Si toda la física ha de ser la misma para esta gente seleccionada acabamos con la física descrita por la relatividad especial.

Si suponemos que da igual el estado de movimiento, velocidad constante, acelerado, etc, y toda la física ha de ser la misma para todo el mundo entonces acabamos con la relatividad general.

¿Leyes distintas?

Un momento, hace un segundo hemos expuesto que si seccionamos nuestra irrelevancia acabamos con distintas formas de describir la física. ¿Son leyes distintas?  No, son manifestaciones distintas.

Por ejemplo, la relatividad especial que está basada en la irrelevancia de todos los que se mueven a línea recta y a velocidad constante y todos han de ver la misma física.  Así aparece que hay una velocidad especial, la velocidad de la luz, que es la misma para todos esos irrelevantes (u observadores)  y que además no se puede superar para los sistemas físicos usuales. Es velocidad es la misma para todos los irrelevantes porque así el electromagnetismo es el mismo para todos los irrelevantes.

Si en ese contexto nos centramos solo en aquellos irrelevantes que se mueven en línea recta con velocidades mucho más inferiores que la velocidad de la luz en el vacío la física descrita por la relatividad especial se disfraza de física Newtoniana.

Es decir, que si de un conjunto de irrelevantes nos concentramos en un subconjunto y exigimos que la física sea la misma solo para ellos la expresión de las leyes físicas iniciales se transforma en la versión restringida.  No es distinta física, es distinto grado de finura en la descripción.

Otro aspecto relacionado con este tema es que la física encarnada en la distintas interacciones no es en absoluto algo definido y físico.  Noether nos dice que las interacciones han de existir y que han de tener cargas asociadas.  Eso lo hemos contrastado en nuestros experimentos a diario.  Lo que no nos dice es qué interacciones son las que se presentarán en todos los regímenes de energía.  Por ejemplo, nosotros hemos visto que en nuestra escala tenemos la gravedad, la interacción electromagnética, la interacción débil y la interacción fuerte. Esas son las que hemos podido detectar.  Son interacciones distintas, con alcances distintos, producen fenómenos distintos, etc.  Sin embargo, también hemos visto que cuando estudiamos la física a alta energía el electromagnetismo y la interacción débil se combinan en una única interacción, la interacción electrodébil.  A esas energías ya no hay electromagnetismo e interacción fuerte, hay una nueva interacción "madre" de las dos anteriores que cuando bajamos la energía disponible se divide en las dos conocidas.  De ahí extraemos dos lecciones:

1.-  Las interacciones dependen del nivel energético al que las estudiemos.

2.-  Cuanto mayor es la energía las interacciones están unificadas.

Ya tenemos modelos de la física a altas energías que nos dicen como fundir las interacciones electromagnética, débil y fuerte en una única interacción unificada pero todavía no tenemos pruebas experimentales que nos ayuden a entender qué modelo es el correcto.  Por ahora.

Y también hemos visto que en distintos sistemas aparecen leyes nuevas o emergentes que no se extraen directamente de las fundamentales que conocemos. Eso nos lleva a pensar que la física encarna distintas versiones en distintas situaciones.

Lo estupendo es que todos estos casos se pueden explicar con el mismo principio:

Tu punto de vista no importa

Tal vez sea esta la mayor lección que hemos aprendido de la física.

A mantener en nuestras cabecitas

Lo que tenemos que tener en la cabeza es que la física se nos muestra tal y como es porque tiene tres pilares:

  • Existe un contexto energético que ha transformado unas interacciones en otras.
  • Que estas interacciones existen porque nuestro punto de vista en el seno de un contexto no importa. El contexto es el espaciotiempo.
  • Que sin espaciotiempo la física no existe.  Insisto, aquí por espaciotiempo entiendo una versión clásica o cuántica.

Permitito y prohibido. Lo cuántico

A lo largo del siglo XX se desarrolló la cuántica. ¿La cuántica es física?  Pues en mi opinión no lo es. Lo que es física es nuestra forma de describir los fenómenos físicos y esta descripción se hace sobre la base de la cuántica en la actualidad para los fenómenos más fundamentales.  Pero la cuántica es un esquema donde nosotros desarrollamos nuestros modelos.

La cuántica es una forma de describir los fenómenos, una forma que nos dice una vez más que nuestro punto de vista no importa, que nuestro sentido común es totalmente irrelevante.  La cuántica nos dice qué podemos conocer, qué podemos medir, qué está y qué no está definido en los sistemas físicos.  Así hemos llegado a descubrir que las cosas no están definidas siempre, que no podemos asignar todas las características que queremos a un sistema físico.  La cuántica en esencia es una forma de lógica nueva que es la lógica que opera en el universo en su escala más fundamental.  Esa lógica nos dice que hay cosas permitidas y cosas prohibidas. Y nos dice que las cosas permitidas se están expresando en los sistemas simultáneamente y se revelan cuando las sometemos a escrutinio con una determinada probabilidad.

Es decir, la cuántica nos dice que cuando queremos medir algo en un sistema hemos  de considerar todos los posibles resultados y que cada uno de ellos tendrá una determinada probabilidad de manifestarse.

Lo que hacemos para describir la física es meter nuestra descripción de las interacciones y de los distintos fenómenos en este esquema conceptual.  Eso es hacer una descripción cuántica, solo eso y nada menos que eso.

Por supuesto, usar este esquema lógico para la descripción de los fenómenos físicos no entra en colisión con nuestro principio de irrelevancia de nuestro punto de vista.  En realidad, se enriquece de muchas formas y maneras.

Para no alargar mucho esta entrada, que se va a quedar ciertamente larga, voy a dar dos ejemplos de comportamiento cuántico que serán de utilidad en lo que sigue.

Efecto sin causa

James_Dean_in_Rebel_Without_a_Cause

En nuestra vida diaria, bajo la que conformamos nuestro sentido común y nuestra lógica, nos enseña que si vemos un efecto es que hay algo que lo ha causado. Pero eso es lo que nos dice nuestro sentido común.

La cuántica nos ha enseñado que eso no es cierto en todos los casos, existen fenómenos que no tienen causa.  Ocurren simplemente porque pueden ocurrir, pasan porque pueden pasar. Simplemente porque es posible que ocurra con alguna probabilidad. ¿Qué los causa? Nada, pero ocurren.

El fenómeno más arquetípico sobre estos fenómenos sin causa, que hay muchos en cuántica, es el efecto túnel.  El efecto túnel nos dice que una partícula puede escapar de una región del espacio de la cual no sería posible que escapara porque simplemente no tiene la misma energía.  Este efecto es responsable de fenómenos que van desde reacciones nucleares radiactivas, la emisión de partículas alfa por algunos núcleos, la transmisión de electricidad entre conductores separados por aislantes, algunas reacciones químicas, microscopía de efecto túnel, etc.  Es decir, el efecto túnel según nuestro sentido común es imposible y sin embargo ocurre porque puede ocurrir.

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 Indeterminación, vacío, fluctuaciones

Una de las consecuencias más brutales de la cuántica es que nos enfrenta al desasosiego de que los sistemas no tienen todas sus propiedades totalmente definidas en todas las ocasiones.  Existen pares de magnitudes que no se pueden definir simultáneamente.  El ejemplo arquetípico, aunque hay muchos más, es el de la posición y la velocidad. Una partícula, en el régimen cuántico, no tiene definidas esas dos características simultánemente, no podemos conocer a la vez su posición y su velocidad.

Eso es un problema porque para definir trayectorias, el camino que una partícula sigue para ir de un sitio a otro se necesitan conocer justamente la posición y la velocidad inicial para determinar el camino seguido por la partícula sometida a una interacción.  Por ello, la mecánica cuántica se formula usualmente en un contexto matemático donde se prescinde de este concepto de trayectoria que en nuestra escala nos parece natural y fundamental.  A nuestra escala, podemos conocer la posición y la velocidad de la partícula en cualquier punto de su evolución.  Sin embargo, la naturaleza nos dice que eso no es lo típico en sus escalas más fundamentales.

Pero no nos engañemos, como hemos dicho antes, es lo mismo no conocer la posición y velocidad de un sistema cuántico que considerar que pueden tener cualquier posición y cualquier velocidad durante su evolución.  Este es el punto de partida de la formulación matemática de la mecánica cuántica propuesta por Feynman.  Según esta, para obtener el comportamiento cuántico de un sistema hemos de considerar que para ir de un punto a otro es posible que tenga cualquier posición intermedia y cualquier velocidad.  Es decir, hemos de considerar que recorre todas las trayectorias posibles entre esos dos puntos.  Esa es la formulación por integrales de camino de Feynman.  Todas las trayectorias son posibles y cada una de ellas se dará con una u otra probabilidad.  Eso recupera la indeterminación y todos los resultados de la mecánica cuántica obtenidos al considerar que no existen las trayectorias.  Es una bonita lección.

Tres posibles caminos para ir de un punto a otro. Para recuperar el comportamiento real, el cuántico, hemos de considerar todos los caminos posibles entre esos dos puntos.

Tres posibles caminos para ir de un punto a otro. Para recuperar el comportamiento real, el cuántico, hemos de considerar todos los caminos posibles entre esos dos puntos.

Otras magnitudes que no se pueden conocer con total exactitud, porque no están determinadas, en un sistema cuántico es su energía en un preciso instante de tiempo.  Y eso es importante para lo que sigue.

En cuántica los sistemas han de tener un mínimo de energía.  Por ejemplo, si queremos describir un campo electromagnético cuánticamente, eso es aplicar la edificación matemática de la cuántica al campo electromagnético, veremos como este queda descrito por la presencia de unas partículas que en virtud del teorema de Noether y de los principios de relatividad tendrá una masa, unas cargas, un espín, etc. Para el campo electromagnético la partícula asociada es el fotón.  Entonces, el campo electromagnético se puede entender cuánticamente como fotones.  Pero estos fotones son tales que su único efecto es el de transmitir la interacción, no son fotones de luz "visibles", se invierten en informar a las partículas cargadas eléctricamente que hay un campo magnético.  Y lo sorprendente es que estas partículas aparecen y desaparecen, literalmente, del medio.

¿Cuál es el estado de mínima energía?  El estado de mínima energía, según esta descripción que hemos expuesto, será el estado que no tenga partículas asociadas presentes. Por lo tanto, a ese estado se le denomina vacío.  Supongamos que asociamos la energía 0 en algunas unidades a este estado.   Dado que la cuántica nos dice que la energía de un sistema no está perfectamente determinada en todo instante exacto de tiempo esa energía no puede ser 0 en todos los instantes, eso violaría la indeterminación cuántica. Por lo tanto, el sistema fluctua, es decir, aparecen y desaparecen partículas directamente desde el vacío con la particularidad de que aparecen desde el vacío y se reabsorben del vacío de forma que no son detectables y en promedio, midiendo energías en intervalos no nulos de tiempo, la energía es la mínima posible del sistema.  Así que el vacío cuántico, no es la nada es algo dinámico que es capaz de influir en el comportamiento del sistema.

La cosa es tan dramática como el siguiente ejemplo.  Nuestro cuerpo, y cualquier cuerpo, está compuesto por protones, neutrones, y electrones combinados de diferentes maneras. El protón y el neutrón tienen más o menos la misma masa, decimal arriba, decimal abajo.  El electrón es 2000 veces menos masivo que los protones.  Así que podemos decir que nuestra masa proviene en esencia de nuestros protones y neutrones.

Pero los protones y neutrones se ha comprobado que están compuestos por tres partículas, tres quarks:

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La sorpresa viene ahora porque si uno suma la masa de esos tres quarks obtiene solo un 1% de la masa del protón o el neutrón. ¿Dónde está el 99% restante? La respuesta da vértigo.  Se ha calculado y se ha comprobado experimentalmente que el 99% de la masa del protón viene dada por las fluctuaciones del vacío confinado entre esos tres quarks.  Podemos afirmar que nuestra masa, y la de todo lo que nos rodea, es consecuencia del vacío.

La imagen es bonita pero incompleta.  Encontramos en física campos y sistemas cuyo estado de mínima energía sí contiene partículas asociadas a dichos campos o sistemas.  Es decir, que el estado sin partículas asociadas presentes no es el de mínima energía presente.  Esto nos llevó a introducir un concepto nuevo de vacío, el falso vacío.

El falso vacío es el estado de un sistema o campo físico en el que no hay partícuas asociadas presentes pero que no está en su mínimo de energía.  Un campo con falso vacío es el campo de Higgs.  Que hayamos encontrado el bosón de Higgs es posible porque nuestro Higgs sí está en su mínimo de energía y en ese vacío real sí que hay partículas del Higgs presentes y es una de ellas las que se muestra en los experimentos.

En la próxima entrada haremos un repaso sobre lo que sabemos que sabemos bien del universo.

Nos seguimos leyendo…


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